Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh TT

i

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI...........................................................................................1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU...................................................................................................1
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................................................1
4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU................................................................................................1
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU......................................................................................................1
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.......................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG
MÁY BIẾN ÁP........................................................................................................................... 2
1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP.................................2
1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA...................................................2
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước......................................................................2
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước.......................................................................2
1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đốn sự cố trong và ngồi nước...............2
1.2.4. Đề xuất của luận án...................................................................................................2
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1....................................................................................................2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN.....................................2
2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP................................................................2
2.1.1. Rung động của cuộn dây............................................................................................2
2.1.2. Rung động của lõi thép..............................................................................................2
2.2. NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP..........................................................3
2.3. PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ..........................................................3
2.3.1. Cơ sở của việc đáp ứng tần số...................................................................................3
2.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp............................................................................3
2.3.3. Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số...................................3
2.4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN............................................................................3
2.4.1. Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn........................................................4
............................................................................................................................................. 4

2.4.2. Sơ đồ tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn..................................................4
2.4.3. Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ............................................4
ur
2.4.4. Mối liên hệ giữa mật độ dịng điện và phương trình từ thế vectơ A ..........................5
2.5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM ANSYS
MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MBA............................................................6
2.5.1. Phương trình trường điện từ......................................................................................6
2.5.2. Hệ phương trình cơ học.............................................................................................8
2.5.3. Ghép nối bài tốn trường điện từ và bài toán cơ học.................................................8
2.6. MẠNG NƠRON MLP.........................................................................................................8
2.6.1. Cấu trúc mạng nơron MLP [40].................................................................................8
2.6.2. Quá trình học mạng nơron MLP................................................................................9
2.6.3. Thuật toán bước giảm cực đại....................................................................................9
2.6.4. Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP..................................................9


ii

2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...................................................................................................10
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN
PHỐI TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ....................................................................11
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS...................................................................11
3.1.1. Một số module chính của phần mềm ANSYS..........................................................11
3.1.2. Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell..............................................11
3.1.3. Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure..............................................11
3.1.4. Khối chức năng xây dựng mơ hình ANSYS desing modeler và ANSYS meshing...11
3.1.5. Khối chức năng ANSYS mechanical workbench.....................................................11
3.1.6. Khối chức năng mô phỏng ANSYS mechanical......................................................11
3.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y0 TRONG ANSYS.11
3.2.1. Nguyên lý làm việc của MBA..................................................................................11

3.2.2. Xây dựng mơ hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0..................................11
3.3. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CHUẨN BỊ CHO Q TRÌNH MƠ PHỎNG TRẠNG
THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA MBA PHÂN PHỐI. . .12
3.3.1. Mơ hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường.....................................12
3.3.2. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời gian
........................................................................................................................................... 13
3.3.3. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số vòng
dây cuộn cao áp pha B.......................................................................................................13
3.3.4. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây.....................13
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...................................................................................................13
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM..................................................13
4.1. BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM
ANSYS..................................................................................................................................... 13
4.1.1. Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1).....................13
4.1.2. Trường hợp sự cố ngắn mạch hai vòng dây cao áp..................................................15
4.1.3. Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây.......................................................................16
4.1.4. Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây......................................................17
4.1.7. Nhận xét các kết quả mô phỏng...............................................................................17
4.2. KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP.........................................................................18
4.2.1. Các thơng số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA.............................................18
4.2.2. Kết quả huấn luyện mạng MLP...............................................................................18
4.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI.....................................................................19
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4...................................................................................................22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................................24
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 24
KIẾN NGHỊ.............................................................................................................................. 25


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong q trình vận hành, MBA có thể gặp những sự cố như hỏng cách điện giữa các vòng dây,
ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng
q tải và sự lão hóa của thiết bị, ... Khi xảy ra sự cố trong MBA, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử
bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề
không bị sự cố.
Chẩn đoán dạng sự cố trong máy biến áp 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát hiện và khắc phục
sự cố của một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điện. Việc xây dựng thành công giải pháp chẩn
đốn các sự cố tiềm ẩn trong MBA nói chung và MBA phân phối 22/0.4kV nói riêng sẽ có ý nghĩa
thực tế tốt, nếu đưa vào áp dụng sẽ giúp cho người vận hành nhận biết được sớm các sự cố MBA do
đó tránh được thiệt hại về kinh tế do phải sửa chữa hoặc thay thế MBA mới, cũng như nâng cao
được tính liên tục cung cấp điện.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Luận án nghiên cứu và đưa ra giải pháp chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối 3 pha 22/0.4kV.
Phần mềm ANSYS được sử dụng để xây dựng mơ hình MBA phân phối 22/0.4kV và mạng nơron
MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt để chẩn đoán các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA
dựa trên các đặc tính được trích chọn từ các tín hiệu điện và tín hiệu rung cơ học.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu các tài liệu về phần mềm ANSYS và xử lý tín hiệu trong MBA để xây dựng mơ hình
MBA phân phối 22/0.4kV trong các trạng thái làm việc bình thường và sự cố.
Mô phỏng MBA ở trạng thái làm việc bình thường và 5 trường hợp sự cố trong ANSYS để lấy
mẫu là các tín hiệu điện và rung động cơ khí. Các tín hiệu này sẽ được phân tích và trích chọn các
thơng số đặc trưng để huấn luyện các mơ hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với thuật toán
học Levenberg – Marquadrt và thư viện hỗ trợ Neural Network Toolbox trong Matlab để chẩn đoán
các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA.
Kiểm chứng mơ hình MBA xây dựng trên phần mềm ANSYS bằng thực nghiệm với việc sử dụng
cảm biến gia tốc để đo tín hiệu rung động của MBA ở chế độ làm việc bình thường khi tải thay đổi.
4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận án là chẩn đoán sự cố MBA phân phối ba pha 400kVA 22-0.4kV

Y-Y0 để nâng cao hiệu quả khi vận hành hệ thống điện.
5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Ứng dụng phần mềm ANSYS để xây dựng 5 mơ hình sự cố MBA phân phối ba pha 400kVA 220.4kV Y-Y0 (chập 2 vòng dây của 1 pha, chập 5% tổng số vòng dây 1 pha, chập 10% tổng số vòng
dây 1 pha, bị nới lỏng dây quấn 1 pha, bị lỏng bu lông gá dây quấn) để mơ phỏng lấy kết quả (các tín
hiệu điện, lực, cơ khí) làm tín hiệu mẫu cho q trình nhận dạng sự cố.
Lựa chọn và xây dựng thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP để chẩn đoán sự cố trong
MBA phân phối.
Thử nghiệm dùng cảm biến gia tốc để đo độ rung trên MBA thực ở chế độ làm việc bình thường
khi tải thay đổi để kiểm chứng mơ hình MBA xây dựng trên phần mềm ANSYS.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
 Ý nghĩa khoa học:
Đề xuất thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với việc sử dụng đồng thời tín hiệu điện
và tín hiệu cơ (rung động) để chẩn đốn sự cố tiềm ẩn trong MBA phân phối.
 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Luận án góp phần dự báo sớm các sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra đối với MBA phân phối nhằm
nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện.


c i  s i ci s i si ai c i 
s
c i ci  c i si ai s i 
Aii 1 (qi )  Aii' 1 Aii '   i
2
0
si
ci
di 


0 cứu của

0 luận1 án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển và tự
 0 nghiên
- Kết quả

động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về các vấn đề chẩn
đoán sự cố MBA.
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP
1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP
1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước
1.2.1.1. Các phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên tín hiệu dịng, áp
1.2.1.2. Phương pháp phân tích nồng độ khí
1.2.1.3. Phương pháp chẩn đốn sự cố MBA dựa trên việc phân tích tín hiệu rung cơ học
của MBA
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước
1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đốn sự cố trong và ngồi nước
1.2.3.1. Những tồn tại của phương pháp phân tích tín hiệu dòng áp
1.2.3.2. Những tồn tại của phương pháp phân tích nồng độ khí
1.2.3.3. Những tồn tại của phương pháp đáp ứng tần số rung
1.2.4. Đề xuất của luận án
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 luận án đã giải quyết được các vấn đề sau:
 Tổng hợp được các công trình nghiên cứu trong và ngồi nước về các phương pháp chẩn
đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA truyền tải và phân phối.
 Chỉ ra được các tồn tại và hạn chế của các phương pháp chẩn đoán sự cố MBA đã được
cơng bố.
 Đề xuất giải pháp chẩn đốn sự cố MBA phân phối bằng việc xây dựng mô hình MBA
trong phần mềm ANSYS để lấy các tín hiệu điện, cơ (rung động) làm bộ dữ liệu cho việc
nhận dạng các sự cố MBA phân phối bằng mạng nơron nhân tạo MLP.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN
2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP
Hiện tượng rung trong máy biến áp được sinh ra bởi các
lực khác nhau xuất hiện trong lõi thép và cuộn dây bên
trong máy biến áp trong suốt quá trình vận hành.
2.1.1. Rung động của cuộn dây
Sự rung động trong cuộn dây gây ra bởi lực điện động,
khi có một sự tương tác giữa dòng điện chảy trong cuộn
dây và từ thơng dị sẽ làm cho cuộn dây bị rung.
2.1.2. Rung động của lõi thép
Sự rung động của lõi thép là do một hiện tượng gọi là từ
giảo, từ giảo là hiện tượng khi các vật thể bằng kim loại trải

Hình 2.1: Mạch từ và cuộn dây
máy biến áp


3

qua một sự biến dạng về hình dạng của mình khi được đặt vào trong một từ trường. Bên trong máy
biến áp, lõi thép vốn được làm dưới dạng các tấm được dát mỏng cũng chịu sự giãn nở và co ngót do
việc thay đổi từ thơng. Sự giãn nở và co ngót này xảy ra hai lần trong một chu kỳ xoay chiều.
2.2. NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP
2.3. PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO
MIỀN TẦN SỐ
2.3.1. Cơ sở của việc đáp ứng tần số
MBA được xem là một mạng lưới phức hợp
bao gồm các phần tử RLC. Mạng RLC này là
xuất phát từ điện trở của cuộn dây đồng; điện
cảm của các cuộn dây và điện dung có từ các lớp

cách điện giữa các bối dây, giữa các cuộn dây
với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi thép
và vỏ thùng, giữa thùng máy và cuộn dây. Tuy
nhiên, có thể sử dụng một mạch đẳng trị đã được
đơn giản hóa với các phần tử RLC đã gộp lại
như đã minh họa ở hình 2.3 để giải thích một
cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng
tần số.
Bất kỳ dạng hư hỏng về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến những thay đổi của mạng lưới RLC.
Những thay đổi này là cái mà chúng ta đang tìm kiếm và sử dụng đáp ứng tần số để làm nổi bật
những thay đổi nhỏ này trong lưới RLC bên trong MBA.
Đáp ứng tần số được tiến hành bằng cách đặt một tín hiệu điện áp thấp có các tần số thay đổi vào
các cuộn dây của MBA và đo cả hai tín hiệu đầu vào và đầu ra. Tỷ số của hai tín hiệu này cho ta đáp
ứng đã yêu cầu. Tỷ số này được gọi là hàm truyền của MBA từ đó ta có thể thu được các giá trị về
độ lớn và góc pha. Với các tần số khác nhau, mạng lưới RLC sẽ cho các mạch tổng trở khác nhau.
Vì lý do đó, hàm truyền tại mỗi tần số là một đơn vị đo lường của tổng trở thực của mạng lưới RLC
của MBA. Bất kỳ sự biến dạng về mặt hình học làm thay đổi mạng lưới RLC, sự thay đổi này lại
làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó ta biết được sự thay đổi cơ học của MBA.
2.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp
Hiện tại nhằm phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây MBA, các đơn vị bảo trì MBA sử dụng các
thiết bị đo FRA được xem là một công cụ chẩn đốn hỗ trợ trong cơng tác thí nghiệm đánh giá hư
hỏng và điều tra sự cố ở các MBA. Kỹ thuật FRA đã chứng tỏ là một công cụ mạnh mẽ về phương
tiện phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và các hư hỏng khác vốn ảnh hưởng đến tổng trở của
MBA một cách tin cậy và hiệu quả
Việc tiến hành các phép đo FRA để đánh giá tình trạng của MBA, là một tiêu chuẩn cần thiết
trong những tình huống sau đây:
 Ở tất cả các MBA mới với mục đích lấy số liệu gốc ban đầu
 Là một phần của các thử nghiệm điện thông lệ trong định kỳ.
 Sau khi lắp đặt lại MBA.
 Sau khi MBA gặp phải các ngắn mạch dài hạn.

 Sau khi sửa chữa các bộ chuyển nấc ở MBA.
 Sau bất kỳ loại sự cố nào xảy ra ở MBA.
 Sau bất kỳ các loại hình bảo dưỡng nào đã thực hiện ở MBA, đặc biệt khi có sự kiểm tra bên
trong MBA.
2.3.3. Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số


4

2.4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
2.4.1. Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn
2.4.1.1. Phương pháp xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn
2.4.1.2. Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn
2.4.1.3. Các dạng phần tử cơ bản
2.4.2. Sơ đồ tính tốn bằng phương pháp
phần tử hữu hạn
Một chương trình tính bằng PTHH thường
gồm các khối chính sau:
Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ
liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và
phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học
của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn
nhiệt...), các thông tin về tải trọng tác dụng
và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện
biên);
Khối 2: Tính tốn ma trận độ cứng phần
tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần
tử;
Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng
thể K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ

(ghép nối phần tử);
Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên
biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ
cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F;
Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác
định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị
chung Q;
Khối 6: Tính tốn các đại lượng khác
(ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ, v.v.) ;
Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết
quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng
theo yêu cầu.
2.4.3. Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ.
Bảng 2.1: Hệ phương trình Maxwell
Tên
Định luật Faraday
Định luật Ampere
Định luật Gauss

Dạng vi phân
r
ur r �
B
�.E 
�
t
r
ur r r �
D
�.H  J 

�
t

r r
�.D  

Dạng tích phân
r r d r r
Edl
 �
BdA
�
�
dt
c
s

r r
r r d
r r
Hdl

JdA

DdA
�
�
� dt �
�
c

s
s

r r
Dd
 dV
�
� A�
�
�
s

v


5

r r
�.B  0

Định luật Gauss
(Cho từ trường)

r r
Bd
�
� A0
s

Việc phân tích, tính tốn các yếu tố trong trường điện và trường từ có thể dựa vào hệ phương trình

Maxwell, Từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy và ngược lại. Điện trường và từ trường liên
hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau. Khái niệm về trường điện từ được Maxwell nêu lên đầu tiên và
để diễn tả định lượng gọi là hệ phương trình Maxwell.
ur
r ur �D
� uu
rot H  J 
�
�
t
�
ur
u
r
�
�B
�
rot E  
�
�
t
� ur
�
divB  0
� ur
divD  0
�

(2.1)

ur
uu
r
Trong môi trường vật liệu từ, mối quan hệ giữa B và H theo hệ số từ thẩm của
vật liệu như sau:
ur
uu
r
(2.2)
B= H
Trong hệ đơnuu
rvị SI, các đại lượng trên có đơn vị và thứ nguyên như sau:
Vectơ cường độ từ trường
A/m
H
u
r
Vectơ cảm ứng từ
T = kg/s2.A
Br
u
Vectơ mật độ dòng điện
A/m2
J

Hệ số từ thẩm của vật liệu
H/m
ur
Vectơ
cảm

ứng
điện
từ
C/m2
D
u
r
Vectơ cường độ điện trường V/m
E
Trong môi trường chân không: μ = μ0 = 4π.10-7 H/m Trong vật liệu từ hóa:
μ = μrμ0
μr – Hệ số từ thẩm tương đối
μ – Hệ số từ thẩm của vật liệu
(H/m)
Toán tử Napla: �(toán tử Haminton)
�

�r �r �r
i
j k
�
x �y
�
z

(2.3)

Trong hệ tọa độ Descartes:

ur

uuur �
A �
A �
A
�A  div A  x  y  z
�
x
�y
�
z
r
r
r
i
j
k
ur
ur � � �
rot A  �x A 
�
x �
y �
z
Ax Ay Az
uu
r ur �
D
Phương trình rot H  J 
tương đương với hệ ba phương trình đại số
�

t

(2.4)

(2.5)


6
��
Hz

��
y
�
�
Hx
��

�
z
��
Hy
��

�
x
��

�
Hy

�
z

 jx 

�
Dx
�
t
�
Dy

�
Hz
 jy 
�
x
�
t
�
Hx
�
D
 jz  z
�
y
�
t

(2.6)

Đối với vật liệu sắt từ μ là một ten xơ
�
 xx  xy  xz �
�
�
�
 yx  yy  xz �
(2.7)
�
 zx  zy  zz �
�
�
2.5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM ANSYS
MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MBA
2.5.1. Phương trình trường điện từ
Để giải quyết bài toán trường điện từ theo từng đặc trưng về thời gian trong kỹ thuật chia làm 3
hình thái khác nhau, từ đó hình thành nên hệ phương trình maxell cơ sở cho việc giải quyết các phép
phân tích cụ thể là: Khi hệ ở trạng thái ổn định có hai trường hợp: Trạng thái tĩnh khơng có sự biến
thiên của bất kỳ đại lượng nào và trạng thái mà các đặc tính vật lý biến thiên theo chu kỳ thông
thường trong kỹ thuật chỉ xét tới các trạng thái theo chu kỳ điều hòa. Khi hệ ở trạng thái quá độ
chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác, thì yếu tối tức thời gắn với thời gian sẽ
được đưa vào làm cơ sở để xác định trạng thái tức thời của hệ. Trên cơ sở đó để đơn giản hóa bài tốn
trong kỹ thuật các phương pháp phần tử hữu hạn cũng xây dựng các phương trình đặc trưng cho các
phần tử theo 3 trạng thái cơ bản trên.
Các hệ phương trình tại các nút phần tử áp dụng cho các mô hình phân tích cụ thể được áp dụng
trong phần mềm ANSYS
Trạng thái điện từ tĩnh 3D chỉ tính tốn cho các mơ hình mà tại đó chỉ có từ trường tĩnh được hình
thành bởi nam châm vĩnh cửu, nam châm điện trong các môi chất khác nhau trong không gian 3D
Phương trình điện từ khơng gian cho bởi cơng thức

r ur
r uu
�.H  J
r ur
�.B  0
(2.8)
ur
uu
r uur
uuur
r
B  0 ( H  M )   0 . r .H  0 .M p
Trạng thái từ tĩnh 2D chỉ tính tốn cho các mơ hình mà tại đó chỉ có từ trường tĩnh được hình
thành bởi nam châm vĩnh cửu, nam châm điện trong các môi chất khác nhau trong khơng gian 2D.
Áp dụng cho các lớp bài tốn có cấu trúc hình học đối xứng trịn xoay hoặc kích thước 1 chiều lớn
hơn nhiều lần hai chiều cịn lại khi đó đạo hàm từ trường theo 1 phương có giá trị bằng khơng
Phương trình biến số khơng gian được xác định bởi:



  1
 

J z ( x, y )  
( Az ( x, y )) 
(2.9)
 0 r

Trong đó A là từ thế véc tơ của mặt phẳng đang xét
Trạng thái từ trường biến thiên theo dạng sin 3D áp dụng cho lớp các bài toán về điện từ trường ở

trạng thái từ trường được sinh ra bởi các nguồn điện biến thiên điều hòa, các hiệu ứng bề mặt do sự
kết hợp giữa từ trường biến thiên điều hòa và dòng điện biến thiên điều hịa gây bên trong vật dẫn.
Phương trình biến số khơng gian tại các nút được xác định bởi:


7

 1


H   j H
(2.10)
   j

Trạng thái điện từ biến thiên theo thời gian 3D áp dụng cho lớp bài tốn có từ trường, dịng điện
biến thiên theo thời gian trong không gian 3D do nguồn điện biến thiên hoặc sự chuyển động của vật
thể. Khi đó hệ phương trình khơng gian tại nút của các phần tử được xác định bởi:

 1   B
   H 
0

t
 
.B 0
      
 . 
  .() 0
t 


(2.11)

Trạng thái điện từ biến thiên theo thời gian 2D áp dụng tương tự như bài toán điện trường 3D tuy
nhiên đạo hàm từ trường, dịng điện theo 1 phương nào đó có giá trị bằng 0. Khi đó phương trình
khơng gian tại nút phần tử được xác định bởi:

   

 
 
A
 v A  J s  
 V   H c  V  A
t

(2.12)

Tráng thái tính điện: Xét cho lớp bài toán về phân bố điện trường trong khơng gian 3D mà khơng
có sự biến thiên theo thời gian. Phương trình khơng gian của hệ được thiết lập bởi hệ:
Áp dụng cho phân tích mơ hình 2D:


.( r  0  )   v
(2.13)
Áp dụng cho phân tích mơ hình 3D:


.( r  0 ( x, y ))  
(2.14)

Dòng dẫn một chiều - Áp dụng lớp bài tốn về phân tích dịng điện dẫn có cường độ và chiều
không thay đổi theo thời gian. Phương trình biến số khơng gian tại các nút phần tử được xác định bởi
Áp dụng cho phân tích 3D
r
r
r
(2.15)
J ( x, y )   E ( x, y )  � ( x, y )
Áp dụng cho phân tích 2D:
r r
(2.16)
�.(� )  0
Dòng điện biến thiên điều hòa: Áp dụng cho lớp bài tốn phân tích cường độ dòng điện chảy trong
vật dẫn của hệ biến thiên điều hịa. Phương trình biến số khơng gian tại các nút phần tử được xác
định bởi (chỉ áp dụng cho lớp bài toán 2D)
 

. E  j( x, y ) 0





(2.17)

Dòng điện biến thiên theo thời gian. Áp dụng cho mơ hình bài tốn có cường độ dịng điện biến
thiên theo thời gian trong khơng gian 3D khi đó phương trình khơng gian tại các nút phần tử được
xác định bởi công thức
      
 . 

  .() 0
t 


(2.18)

Phương pháp tính tốn lực điện từ trong phần mềm maxwell: Trong đó, theo định luật lực điện từ
Lorent, phần mềm định nghĩa một đại lượng gọi là tenso lực Maxwell bởi công thức:


8

�
B H
�
Hx �
Bx 
Hx �
By
Hx �
Bz
�
�
2
�
�
B H
�
�
  � Hy �

Bx
Hy �
By 
Hy �
Bz
� (2.19)
2
�
�
B H�
�
Bx
Hz �
By
Hz �
Bz 
� Hz �
2 �
�
�
Theo đó lực điện từ được tính tốn theo cơng thức:
dF   �
dA
(2.20)
trong đó: F là lực điện từ, A là diện tích mặt cần tính lực,  tenso lực Maxwell,
Theo phương pháp phân tích trên, trong phần mềm nếu người dùng thiết lập tính tốn lực điện từ,
phần mềm sẽ tự động tính tốn các tensor lực Maxwell trên mỗi nút của vật thể được thiết lập, từ đó
tính tốn ra mật độ lực theo thể tích và mật độ lực tại các bề mặt của vật thể. Các kết quả tính tốn lực
là cơ sở để phân tích các ứng sử cơ học trong các giai đoạn sau của phân tích.
Loại phần tử được sử dụng trong phần mềm maxwell 3D là phần tử tứ diện 4 đỉnh 8 nút Các thành

phần tiếp xúc giữa các cạnh được xác định bởi các đỉnh. Thành phần tiếp xúc giữa các mặt được xác
định bằng điểm trung bình trên các cạnh. Các điểm bên trong được nội suy theo hàm bậc 2 từ điểm
cơ sở.
2.5.2. Hệ phương trình cơ học
2.5.2.1. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất
2.5.2.2. Ngun lý cực tiểu hố thế năng tồn phần
2.5.3. Ghép nối bài toán trường điện từ và bài toán cơ học
2.5.3.1. Phân tích dao động cơ học và độ ồn
2.5.3.2. Mơ hình tính tốn dao động bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
2.6. MẠNG NƠRON MLP
2.6.1. Cấu trúc mạng nơron MLP
Mạng MLP (MultiLayer Perceptron) là một mạng truyền thẳng được xây dựng từ các phần tử cơ
bản là các nơron McCulloch – Pitts, trong đó các nơron được sắp xếp thành các lớp (layer) gồm một
lớp các kênh tín hiệu đầu vào (input layer), một lớp
các kênh tín hiệu đầu ra (output layer), và một số lớp
trung gian gọi chung là các lớp ẩn (hidden layers).
Trên hình 2.13 là mơ hình của mạng MLP có N đầu
vào, có 1 lớp ẩn với M nơron và K đầu ra.
Ta ký hiệu chung các trọng số ghép nối giữa lớp
đầu vào và lớp ẩn là Wij ( i  1 � M ; j  0 � N ),
ký hiệu các trọng số ghép nối giữa lớp ẩn và lớp đầu ra
là Vij ( i  1 � K ; j  0 � M ). Các hàm truyền đạt
của các nơron lớp ẩn và lớp đầu ra tương ứng được ký
hiệu là f1 và f2. Trong từng mơ hình, các tác giả có thể
chọn các hàm truyền đạt khác nhau tùy theo kinh
nghiệm và mục đích. Các dạng hàm thường được lựa
chọn để sử dụng là [37]:
Hình 2.4: Mơ hình mạng MLP với 1 lớp ẩn
1
- Hàm logsig: logsig ( x) 

1  e x


9

1  e x
1  e x
xb
- Hàm tuyến tính: linear ( x )  a �
Trong luận án NCS chọn hàm truyền đạt của các nơrn ẩn là hàm f1 ( x)  tansig ( x) do hàm này
có dải giá trị gồm cả các giá trị âm và dương, tổng quát hơn so với hàm logsig(), đồng thời là hàm phi
tuyến sẽ tổng quát hơn so với hàm tuyến tính; hàm truyền đạt của các nơron lớp ra là hàm
f 2 ( x)  linear ( x ) do hàm này có thể tạo được các giá trị lớn hơn 1 (vì NCS sẽ sử dụng mã các trạng
thái của MBA từ d=0 cho đến d=6).
N
Khi đó, với vectơ đầu vào x   x1, x2 ,K , xN  �� (đầu vào phân cực cố định x0  1 ) đầu ra được
xác định tuần tự theo chiều lan truyền thuận (forward propagation) như sau:
 Tính tổng các kích thích đầu vào của nơron ẩn thứ i ( i  1 � M ) bằng:
- Hàm tansig: tansig ( x) 

M

ui  �x j �
Wij

(2.21)

j 0

 Tính đầu ra của nơron ẩn thứ i ( i  1 � M ):

vi  f1  ui 

(2.22)

 Tính tổng các kích thích đầu vào của nơron đầu ra thứ i ( i  1 � K )
M

gi  �v jVij

(2.23)

j 0

 Và cuối cùng đầu ra thứ i của mạng sẽ bằng (cho i  1 � K )
yi  f 2  gi 

(2.24)

Tổng hợp lại hàm truyền đạt của mạng MLP là một hàm phi tuyến cho theo công thức phụ thuộc
sau:
�M
�
yi  f 2  gi   f 2 ��v jVij �
�j 0
�
�
�
M
N � �
N

�
�
� �
� �
 f2 �
Vi 0  �f1 u j Vij � f 2 �
Vi 0  ��f1 �
W j 0  �xkW jk �
Vij �
�
�
� �
�
j 1
j 1 � �
k 1
� �
�
� �
�

 

(2.25)

2.6.2. Quá trình học mạng nơron MLP
Mạng MLP thường được xây dựng bằng các thuật toán học có giám sát, tức là các thuật tốn huấn
luyện khi có các mẫu gồm cả đầu vào và đầu ra tương ứng. Với bộ số liệu mẫu là một tập hợp gồm p
các cặp mẫu được cho ở dạng vectơ đầu vào – vectơ đầu ra tương ứng  xi , di  với i  1 � p,
xi �R N ; d i �R K , ta cần xác định một mạng MLP (bao gồm việc xác định được các thông số cấu trúc

và các trọng số ghép nối tương ứng với cấu trúc đã lựa chọn) sao cho khi đưa vectơ xi vào mạng
MLP, thì đầu ra của mạng sẽ xấp xỉ giá trị đích đã có:
i : MLP  xi  �di
(2.26)
Hoặc sai số tổng cộng trên các mẫu tiến tới một giá trị cực tiểu nào đó hoặc nhỏ hơn một ngưỡng
chọn trước   0 nào đó:
E

1 p
�MLP  xi   di
2 i 1

2

� min

Có thể xác định các thơng số này theo các bước sau:

(2.27)


10

 Số kênh đầu vào N và kênh đầu ra K được xác định dựa trên bộ số liệu mẫu: N = kích
thước của các vectơ xi , K = kích thước của các vectơ di .
 Số lớp ẩn: Theo định lý Komogorov chỉ cần tối đa là 2 hai lớp ẩn, cụ thể có giữa 3 khả
năng để lựa chọn là 0, 1 và 2. Mạng khơng có lớp ẩn nào phù hợp với các bài toán đơn
giản, bậc phi tuyến thấp. Trong thực tế đa số các trường hợp sử dụng 1 lớp ẩn. Trường
hợp không thể tìm được các mạng có 1 lớp ẩn đáp ứng được yêu cầu của quá trình học thì
ta sẽ sử dụng mạng có 2 lớp ẩn với độ phức tạp lớn và bậc phi tuyến cao hơn. Ngược lại,

nếu như đang có một mạng có 1 lớp ẩn với quá ít số nơron trên đó thì có thể thử bỏ lớp
ẩn đó đi để sử dụng mạng khơng có lớp ẩn nào xem có đạt u cầu.
2.6.3. Thuật tốn bước giảm cực đại
2.6.4. Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP
Các thuật toán sử dụng gradient (đạo hàm bậc nhất) có tốc độ hội tụ chậm. Khi cần cải thiện tốc độ
hội tụ, ta có thể sử dụng thuật tốn Levenberg–Marquardt (L–M). Thuật toán này dựa trên khai triển
Taylor đến bậc hai. Xét sai số theo công thức (2.27) là hàm phụ thuộc các trọng số ghép nối của
nơron, khi đó ta khai triển hàm E lân cận điểm W, các giá trị trọng số hiện tại sẽ được:
E (W  p)  E (W )   g (W )  p 
T

 

1 T
p H (W ) p  O p3
2

(2.28)
T

với p – khoảng lân cận khai triển,

��
E �
E
�
E �
g ( W )  �E  � ,
,K ,
�

�
W1 �
W2
�
Wn �
�

là véc–tơ gradient của hàm E

theo các trọng số ghép nối (được nhóm lại trong ma trận W), cịn H là ma trận vng đối xứng của
các đạo hàm bậc hai (còn gọi là ma trận Hessian) của E theo W với:
� �2 E
�
W1�
W1
��
�
�
�
H( W )  �
H ij �
M
� 2
� �E
�
�
W1�
Wn
�

�2 E �
�
�
Wn �
W1 �
M �
�
�2 E �
�
Wn �
Wn �
�

L

L

(2.29)

Tại điểm cực tiểu (đang cần tìm) của hàm số ta sẽ có g( W )  0 và H( W ) xác định dương. Xét bước
lặp thứ t giá trị các trọng số là W ( t ) , giả thiết cần tìm điểm xấp xỉ tiếp theo W ( t 1)  W ( t )  p tiến gần
điểm cực tiểu của hàm số, khi đó ta có:



�
E W ( t 1)
�
p

hay:



  �E  W

(t )

p

�
p





 �0

(2.30)



g W ( t )  H W (t ) p( t )  0

(2.31)
Từ đó suy ra công thức xác định phương biến thiên của véc-tơ trọng số về phía cực tiểu địa
phương của hàm sai số là:







1

p( t )   �
H W( t ) � g W ( t )
�
�



(2.32)

Bổ sung thêm hệ số bước để tránh các trường hợp bước dịch chuyển quá lớn, ta có cơng thức lặp
theo phương pháp Levenberg – Marquardt như sau:





1



W ( t 1)  W( t )   �
H W( t ) � g W (t )
�

�



(2.33)

trong đó:
– W (t ) , V ( t )  các ma trận chứa các trọng số ghép nối Wij và Vij tại bước lặp thứ (t) trong quá trình
điều chỉnh thích nghi;
– g  W  và g  V  – véc–tơ gradient của hàm sai số theo từng trọng số trong các ma trận;


11

– H  W  và H  V  – ma trận gradient bậc hai của hàm sai số theo từng cặp trọng số từ các ma trận
W và V tương ứng.
Với mỗi bộ số liệu mẫu, sau khi huấn luyện xong, thì mạng MLP được chuyển sang chế độ test
(cịn gọi là chế độ vận hành), khi đó các thông số của mạng không thay đổi, mạng sẽ chờ ta đưa vào
một véc-tơ đặc tính x để tính tốn F(x) theo cơng thức (2.57) để xác định trạng thái của MBA ứng
với đặc tính x.
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương 2, luận án đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Nêu được cơ sở lý thuyết hiện tượng rung của máy biến áp.
- Nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong phần mềm ANSYS. Sử dụng lý thuyết
phần tử hữu hạn để giải cho hệ phương trình Maxwell và từ kết quả tính tốn từ trường (lực điện từ,
biến dạng, chuyển vị) luận án đã xây dựng được mơ hình tính tốn dao động bằng phương pháp phần
tử hữu hạn.
- Luận án đã đề xuất mơ hình phi tuyến là mạng nơron truyền thẳng MLP kết hợp thuật toán học
Levenberg – Marquardt để xây dựng mơ hình nhận dạng và chẩn đốn sự cố trong MBA.
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN

PHỐI TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS
3.1.1. Một số module chính của phần mềm ANSYS
3.1.2. Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell
3.1.3. Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure
3.1.4. Khối chức năng xây dựng mơ hình ANSYS desing modeler và ANSYS meshing
3.1.5. Khối chức năng ANSYS mechanical workbench
3.1.6. Khối chức năng mô phỏng ANSYS mechanical
3.2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y0 TRONG ANSYS
3.2.1. Ngun lý làm việc của MBA
3.2.2. Xây dựng mơ hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0
a) Thông số cơ bản
Với công cụ ANSYS trong luận án này lựa chọn mô hình MBA như trên hình 3.8 với các thơng số
cơ bản như cho trong bảng 3.1
Bảng 3 .1: Các thông số cơ bản của MBA phân phối đươc lựa chọn trong Luận án
Công suất định mức
Tổ đấu
Điện áp sơ cấp
Điện áp thứ cấp
Chiều cao cửa sổ
Chiều rộng cửa sổ
Chiều rộng chân lớp 1
Chiều rộng chân lớp 2
Chiều dầy lớp 1
Chiều dầy lớp 2

400
Y-Y0-12
22
0.4

530
302
140
120
200
40

kVA
kV
kV
mm
mm
mm
mm
mm
mm


12

Chiều rộng gơng lớp 1
Chiều rộng gơng lớp 2
Đường kính trong cuộn HA
Đường kính ngồi cuộn HA
Chiều cao cuộn HA
Số vịng cuộn HA
Đường kính trong cuộn CA
Đường kính ngồi cuộn CA
Chiều cao cuộn CA
Số vịng cuộn CA

140
120
150/250
189/289
450
22
209/309
282/382
430
2098

mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm

Hình 3.1: Mơ hình MBA 3 pha

LabelID=ILA

LabelID=VVHA
LabelID=IHA

+

0.78
R38

LWinding_LA

LWinding_HA

LabelID=ILB

10ohm
R24
LabelID=IHB

+

0

0.78
R41

LWinding_LB
LabelID=ILC

0

0

LWinding_HB
LabelID=VVHC

10ohm
R54

0

LabelID=IHC

+

0.78
R44

LWinding_LC

LWinding_HC

Hình

10ohm
R30

3.2: Mơ hình
mạch MBA

3.3. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CHUẨN BỊ CHO Q TRÌNH MƠ PHỎNG TRẠNG
THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA MBA PHÂN PHỐI
3.3.1. Mơ hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường


13

Hình 3.3: Mơ hình chia lưới và số phần tử lưới MBA
3.3.2. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời gian
3.3.3. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số vòng
dây cuộn cao áp pha B
 Thiết lập mạch điện cho MBA
LabelID=IU_LA
22000*sqrt(2) V
LabelID=VV_HA
LWinding_HA

LWinding_LB

22000*sqrt(2) V
LabelID=VV_HB
LWinding_HB

+

LWinding_LA

0.78ohm
R22

+

0

0.78ohm
R25

0

0

(5/2089*2) ohm
R44
LWinding_T

LabelID=IU_LC
+

0.78ohm
R28

5ohm
R8

LabelID=IU_LB

LWinding_LC

22000*sqrt(2) V
LabelID=VV_HC
LWinding_HC

5ohm
R11

0

5ohm
R14

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện cho MBA khi sự cố chập vòng dây cao áp pha B
3.3.4. Mơ hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 3 luận án đã giải quyết một số vấn đề sau:
- Để mơ phỏng và chẩn đốn sự cố MBA ta dựa vào tín hiệu điện và rung động cơ khí (tín
hiệu cơ), luận án đã sử dụng phần mềm ANSYS để xây dựng một mơ hình MBA phân phối
400kVA 22-0.4KV Y-Y0.
- Đã cài đặt các điều kiện biên, điều kiện kích thích cho các cuộn dây, chia lưới thành cơng
mơ hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4KV Y-Y0 và đưa ra mơ hình MBA theo các kịch bản: 01
trường hợp làm việc bình thường và 05 trường hợp sự cố để chuẩn bị tiến hành mô phỏng lấy bộ
dữ liệu phục vụ q trình nhận dạng và chẩn đốn sự cố MBA.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM


14

4.1. BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MƠ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM
ANSYS
Như đã trình bày ở trong chương 3, mơ hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y 0 đã
được xây dựng trong phần mềm ANSYS. Với các mơ hình này, thực hiện tính tốn và đưa ra dưới
dạng tín hiệu mơ phỏng trong phần mềm ANSYS để lấy bộ dữ liệu cho các kịch bản làm việc của
MBA, gồm 1 trường hợp MBA làm việc bình thường và 5 trường hợp MBA bị sự cố. Với mỗi
kịch bản, trong luận án tiến hành mô phỏng với 3 mức phụ tải là 50%, 80% và 100% định mức và
10 giá trị pha ban đầu để làm bộ dữ liệu mẫu huấn luyện, 3 giá trị pha ban đầu để làm bộ dữ liệu
kiểm tra. Tổng cộng có 6 �3 �(10  3)  234 mẫu mô phỏng đã được thực hiện.
4.1.1. Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1)

4.1.1.1. Kết quả tính tốn theo thời gian các thành phần lực của các cuộn dây và lõi
Các kết quả được cho như đồ thị hình 4.1 hình 4.2 và hình 4.3

Hình 4.1: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các
cuộn dây HA, HB, HC

Hình 4.2: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các cuộn dây LA, LB, LC


15

Hình 4.3: Đồ thị lực theo 3 phương x, y, z tác động lên lõi
4.1.1.2. Kết quả phân tích đáp ứng chuyển vị theo tần số
 Kết quả phân tích chuyển vị theo phương x của vỏ máy:

Hình 4.4: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy
105 mm ứng với tần số 115Hz.
Từ đồ thị ta thấy biên độ dao động lớn nhất đạt 6,401 �
 Kết quả phân tích chuyển vị theo phương y của vỏ máy

Hình 4.5: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy
10 4 mm ứng với tần số 50Hz.
Biên độ chuyển vị theo phương y lớn nhất đạt 4,4473 �
 Kết quả phân tích chuyển vị theo phương z của vỏ máy


16

Hình 4.6: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy
Biên độ chuyển vị theo phương z lớn nhất đạt 6,145.10-3 tại tần số 50Hz.

4.1.2. Trường hợp sự cố ngắn mạch hai vịng dây cao áp

Kết quả phân tích chuyển vị theo phương x của vỏ máy

Hình 4.7: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy
103 mm tại tần số 120Hz.
Giá trị chuyển vị lớn nhất theo phương x đạt 1,46 �

Kết quả phân tích chuyển vị theo phương y của vỏ máy

Hình 4.8: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy
103 mm tại tần số 50Hz.
Giá trị chuyển vị theo phương y lớn nhất đạt 13,4 �

Kết quả phân tích chuyển vị theo phương z của vỏ máy

Hình 4.9: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy
Giá trị chuyển vị theo phương Z lớn nhất đạt 0.18406mm tại tần số 50Hz.
4.1.3. Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây


17



Kết quả phân tích chuyển vị theo phương x của vỏ máy

Hình 4.10: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy
105 mm ứng với tần số 115Hz.
Biên độ chuyển vị theo phương x lớn nhất đạt 6, 401 �


Kết quả phân tích chuyển vị theo phương y của vỏ máy

Hình 4.11: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy
104 mm ứng với tần số 50Hz.
Biên độ chuyển vị theo phương y lớn nhất đạt 4,4473 �

Kết quả phân tích chuyển vị theo phương z của vỏ máy

Hình 4.12: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy
103 mm ứng với tần số 50Hz.
Biên độ chuyển vị theo phương z lớn nhất đạt 6,1456 �
4.1.4. Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây
4.1.7. Nhận xét các kết quả mô phỏng
Qua các kết quả mô phỏng ta nhận thấy rằng có sự khác biệt giữa các đặc tính điện và rung động
cơ khí, kết quả mơ phỏng các chế độ làm việc của MBA như sau.
 Trường hợp 50% tải

Sự cố
Chuyển vị
ngắn mạch
(biên độ rung Bình thường
hai vịng dây
động) vỏ MBA
cao áp
Chuyển vị
6,401.100,00146mm

Sự cố nới
lỏng vòng

dây 2 cuộn
dây cao áp
6,401.10-

Sự cố ngắn Sự cố ngắn
mạch chập
mạch chập
5% vòng dây 10% vòng dây
cao áp
cao áp
0,0036mm tại 0,0517 mm 0,1935mm tại
Sự cố lỏng
bu-lông gá
cuộn dây


18
5
theo phương 5mm tại tần
tại tần số
mm ứng với tần số 195Hz
tại tần số
tần số 120Hz
X
số 115Hz
120Hz
tần số 115Hz
120Hz
Chuyển vị
4,447. 10-4 0,0134mm tại 4,447. 10-4

0,00096mm 0,4823mm tại 0,74037mm
theo phương mm tại tần số tần số 50Hz mm tại tần
tại tần số
tần số 50Hz
tại tần số
Y
50Hz
số 50Hz
195Hz
50Hz
-3
-3
Chuyển vị 6,14. 10 mm 0,18406mm 6,14. 10 mm 0,00054mm 6,6003mm tại 10,183mm tại
theo phương
tại tần số
tại tần số
tại tần số
tại tấn số
tần số 50hz
tần số 50Hz
Z
50Hz
50Hz
50Hz
195Hz

 Trường hợp 80% tải
Chuyển vị
(Biên độ rung
động) vỏ MBA

Sự cố ngắn
mạch chập
5% tổng số
vòng dây cao
áp
0,775mm tại 0,68mm tại 89,6mm tại 586 mm tại
tần số 125Hz tần số 115Hz tần số 195Hz tần số 115Hz

Sự cố ngắn
mạch hai
Bình thường
vòng dây cao
áp

6,8. 10-5 mm
Chuyển vị theo
tại tần số
phương X
115Hz
4,53. 10-4 mm
Chuyển vị theo
tại tần số
phương Y
120Hz
6,27. 10-3mm
Chuyển vị theo
tại tần số
phương Z
50Hz

Sự cố nới
lỏng vòng
dây 2 cuộn
dây cao áp

Sự cố lỏng
bu-lơng gá
cuộn dây

Sự cố chập
10% tổng số
vịng dây cao
áp
409mm tại
tần số 125Hz

9,98mm tại
tần số 50Hz

0,354 mm tại 21,9mm tại
tần số 120Hz tần số 80Hz

325mm tại
316mm tại
tần số 115Hz tần số 115Hz

136mm tại
tần số 50Hz

60,27mm tại 5,79mm tại
tần số 50Hz tấn số 80Hz

627 mm tại
tần số 40hz

654mm tại
tần số 40Hz

 Trường hợp 100% tải
Chuyển vị
(Biên độ rung Bình thường
động) vỏ MBA
7,2.10-5mm
Chuyển vị
mm tại tần số
theo phương X
115Hz
4,61.10-4mm
Chuyển vị
mm tại tần số
theo phương Y
50Hz
6,38.10-3mm
Chuyển vị
mm tại tần
theo phương Z
số 50Hz

Sự cố ngắn

Sự cố nới
Sự cố ngắn
Sự cố lỏng
mạch hai
lỏng vòng
mạch chập 5%
bu-lơng gá
vịng dây
dây 2 cuộn
tổng số vịng
cuộn dây
cao áp
dây cao áp
dây cao áp
-3
-5
-2
2,02.10 mm 7,14.10 mm 1,35.10 mm 2,68.10-2mm
mm tại tần mm tại tần mm tại tần mm tại tần số
số 50Hz
số 115Hz
số 195Hz
115Hz
-4
-4
-3
1,86.10 mm 4,61.10 mm 3,6.10 mm 0,19555mm tại
mm tại tần mm tại tần mm tại tần
tần số 50Hz
số 125Hz

số 50Hz
số 195Hz
-2
-3
2,78.10 mm 6,37.10 mm 2,02.10-3mm 2,6895mm tại
mm tại tần mm tại tần mm tại tần
tần số 50Hz
số 50Hz
số 50Hz
số 195Hz

Sự cố chập
10% tổng số
vòng dây cao
áp
7,5.10-2mm tại
tần số 135Hz
1,01mm tại
tần số 50Hz
13,884mm tại
tần số 50Hz

4.2. KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP
4.2.1. Các thông số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA
Trong luận án, đề xuất sử dụng các đặc tính của các tín hiệu để phân loại trạng thái của MBA được
trích xuất từ các tín hiệu đo ở trên như sau:
 Từ phổ tần số của dao động chuyển dịch trên vỏ MBA theo 3 trục: sử dụng giá trị lớn
nhất của phổ trên mỗi trục, hay ta có:
x1 
max  M x     ;

max  M z     .
x2 
max
M y    ; x3 
 25,30,K ,200

  25,30,K ,200





 25,30,K ,200


19

 Từ giá trị biến thiên của lực tác dụng theo 3 trục: sử dụng giá trị lớn nhất của lực trên mỗi
trục, lựa chọn búi dây pha B, phía cao áp (là pha được sử dụng trong mô phỏng là pha
xảy ra sự cố), hay ta có:
x4  max FxH  t  x5  max FyH  t  x6  max FzH  t 
t� 0,100 ms 
t� 0,100 ms 
t� 0,100 ms 
;
;
;
Phía hạ áp ta có:
x7  max FxL  t  x8  max FyL  t  x9  max FzL  t 
t� 0,100 ms 

t� 0,100 ms 
t� 0,100 ms 
;
;
;
 Từ giá trị biến thiên của lực tác dụng hướng kính: sử dụng giá trị lớn nhất của lực trên
mỗi trục, lựa chọn búi dây pha B, phía cao áp (là pha được sử dụng trong mô phỏng là
pha xảy ra sự cố), hay ta có:
x10  max  Fcx  t   x11  max  Fcy  t   x12  max  Fcz  t  
t� 0,100 ms 
t� 0,100 ms 
t� 0,100 ms 
;
;
;
 Từ giá trị biến thiên của biên độ dòng pha B phía cao áp và hạ áp, điện áp pha B phía hạ
áp, sử dụng giá trị lớn nhất của các tín hiệu, hay ta có: x13  max  I H  t   ;





x14 

max

t� 0,100 ms 







 IL  t   ,



x15 

max

t� 0,100 ms 









UL  t  ;





t� 0,100 ms 

Như vậy, véc tơ đặc tính đầu vào gồm 15 thành phần. Đầu ra của hệ nhận dạng là mã trạng thái
của MBA, bao gồm 6 trạng thái được xem xét như đã kể trên:
 d  1: MBA ở chế độ bình thường
 d  2 : MBA bị lỏng ốc bu lông gá cuộn dây
 d  3 : MBA có vịng dây bị nới lỏng quanh trụ
 d  4 : MBA bị chập 2 vòng dây liền nhau (tại cuộn dây pha B, phía cao áp)
 d  5 : MBA bị chập 5% số vòng dây liền nhau (tại cuộn dây pha B, phía cao áp)
 d  6 : MBA bị chập 10% số vòng dây liền nhau (tại cuộn dây pha B, phía cao áp)
4.2.2. Kết quả huấn luyện mạng MLP
Chương trình mơ phỏng sử dụng thuật toán học Levenberg – Marquadrt và thư viện hỗ trợ Neural
Network Toolbox trong Matlab. Kết quả thử nghiệm với véc-tơ đặc tính 15 đầu vào, 1 đầu ra và số
nơron ẩn tăng dần như sau:
 Với 1 nơron ẩn:

(a) Kết
180với
mẫu,
Hình 4.13:
Kết quả
quảhọc
mơ với
phỏng
1 nơron

ẩn:

(b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu


20

 Trên hình 4.13a và 4.13b là kết quả huấn luyện mạng với bộ mẫu học và sau đó kiểm tra
lại với bộ mẫu kiểm tra. Trục hoành là số thứ tự của các mẫu. Do bộ mẫu huấn luyện gồm
180 mẫu nên hình 4.24a có trục hồnh từ 1 đến 180, bộ mẫu kiểm tra gồm 54 mẫu nên
hình 4.24b có trục hồnh từ 1 đến 54. Các điểm giá trị ‘*’ (màu xanh) là giá trị mẫu đích
chính xác cần đạt của quá trình học. Các điểm giá trị ‘o’ (màu đỏ) là giá trị đầu ra của
mạng MLP ứng với mỗi mẫu xi. Đường liền màu tím biểu diễn sai lệch tuyệt đối giữa đầu
ra của mạng MLP và giá trị đích. Đường nét đứt màu đen là đường giá trị ngưỡng y = 0.5
để đánh giá nhanh tương quan giữa sai lệch tuyệt đối và giá trị ngưỡng 0.5. Do các giá trị
đích có giá trị rời rạc (d = 1, 2, …, 6), giá trị đầu ra của mạng sẽ được quy về giá trị đích
gần nhất để làm kết quả nhận dạng. Ví dụ nếu giá trị đầu ra là 2,34 thì kết quả nhận dạng
sẽ là trường hợp ‘d=2’ (MBA bị lỏng ốc bu lông gá cuộn dây). Với phương pháp này, do
các giá trị đích có khoảng cách tối thiểu là 1, nên nếu sai lệch giữa giá trị đầu ra nhỏ hơn
0,5 thì sẽ khơng có sai số nhận dạng. Kết quả học trên hình 4.24 cho thấy mạng có cấu
trúc đơn giản (15 đầu vào, 1 nơron ẩn, 1 đầu ra) nên chưa học thành cơng được các mẫu, nên
cịn nhiều trường hợp lỗi. Trong đó nhiều mẫu thuộc trường hợp 5 và 6 đều học không thành
công.
 Với 2 nơron ẩn:

(a) Kết quả (b)
họcKết
với quả
180 kiểm
mẫu tra với 54 mẫu

Hình 4.14: Kết quả mơ phỏng với 2 nơron ẩn:

Kết quả thử nghiệm cho thấy mạng vẫn có cấu trúc quá đơn giản (15 đầu vào, 2 nơ-rôn ẩn, 1 đầu
ra) nên vẫn chưa học thành công được các mẫu, tuy nhiên số lượng sai sót ít hơn so với trường hợp 1
lớp ẩn. Còn 1 số trường hợp (mẫu nhóm 5) bị nhầm sang dạng 6. Khi kiểm tra với tập số liệu 54 mẫu

(như trên hình 4.25b), cũng vẫn còn những trường hợp bị nhận dạng nhầm.
 Với 3 nơron ẩn:

(a) Kết quả học với 180 mẫu
(a) Kết quả học với 180 mẫu

(b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu
(b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu


21

Hình 4.15: Kết quả mơ phỏng với 3 nơron ẩn:
Kết quả học cho thấy mạng đã học thành công được tất cả các mẫu, tất cả các trường hợp mẫu học
và mẫu kiểm tra đều có sai số nhỏ (nhỏ hơn ngưỡng 0,5).
Với 4 nơron ẩn:

Hình
16:mạng
Kết quả
nghiệm
4 nơron
Kết quả học cho thấy cũng
như4.với
có thử
3 nơron
ẩn, với
mạng
với 4 ẩn:
nơron ẩn đã học thành công

được tất cả các mẫu, tất cả các trường hợp mẫu học và mẫu kiểm tra đều có sai số nhỏ (nhỏ hơn
ngưỡng 0,5).
Với 5 nơron ẩn:

(a) Kết quả học(b)
vớiKết
180quả
mẫukiểm tra
Hình
Kết quả thử nghiệm với 5 nơron ẩn:,
với4.17:
54 mẫu

Kết quả học cho thấy mạng với 5 nơron ẩn cũng đã học
thành công được tất cả các mẫu, tất cả các trường hợp mẫu
học và mẫu kiểm tra đều có sai số nhỏ (nhỏ hơn ngưỡng
0,5). Do đó có thể thấy rằng mạng MLP với 15 đầu vào, 1
lớp ẩn với ít nhất 3 nơron ẩn và 1 nơron đầu ra có thể học
thành cơng để nhận dạng được chính xác các trạng thái của
MBA đã được mơ phỏng trong luận án. Mơ hình mạng nhỏ
nhất với 3 nơron ẩn được thể hiện trên hình 4.29 dưới đây.
Cấu trúc của mạng nơron được lựa chọn để nhận dạng
các véc-tơ đặc tính trích chọn từ các tín hiệu của MBA
được thể hiện trên hình 4.18
Hình 4.18: Cấu trúc của mạng nơron với
15 đầu vào, 3 nơron ẩn và 1 đầu ra


22

4.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI
Thiết bị đo độ rung được thiết kế, chế tạo (chi tiết thiết kế chế, chế tạo như trong phụ lục
của luận án) và lắp đặt thử nghiệm tại Trạm biến áp ĐH công nghiệp 3 được thể hiện trên hình
4.28.

(a)

Có thể nhận thấy rằng
mức
độMáy
rungbiến
củấp tại Trạm ĐH Cơng nghiệp 3 (a)
Hình
4.19:
MBA tăng dần trong khoảng
và thời
thiết gian
bị đo từ
gắn trên vỏ của máy biến áp (b)
10h đến 12h trưa. Sau đó tương đối ổn định
đến khoảng 17h và tăng nhanh để đạt đỉnh
lúc 18h chiều.
Hình 4.20: Kết quả nhận dạng thơng qua
đo độ rung bằng cảm biến gia tốc tại Trạm
ĐH Công nghiệp 3 từ 9.00 đến 18.30 ngày
15/9/2020
Trên hình 4.21 là kết quả số liệu đo xa
được thu thập của Điện lực Thái Nguyên
cho Trạm MBA đang thí nghiệm trong cùng
khoảng thời gian thực hiện. Tuy nhiên các

giá trị đo xa hiện nay còn hạn chế là chỉ
được thực hiện theo chu kỳ 30 phút một lần
đo lấy giá trị tức thời tại thời điểm đo đó.
Hình 4.21: Các giá trị P tổng đo từ xa của
Điện lực Thái Nguyên cho trạm ĐH Công
nghiệp 3 vào cùng khoảng thời gian từ 9.00
đến 18.30 ngày 15/9/2020
Có thể nhận thấy biểu đồ biến thiên phụ tải
có các xu thế tương tự với biểu đồ độ rung.
Đó là xu thế tăng dần trong buổi sáng và giao
động (xung quanh một mức trung bình) trong
các giờ buổi chiều và tăng nhanh vào cuối giờ
chiều. Để thấy rõ hơn về mức độ tương quan,
trên hình 4.22 đã thể hiện cả hai đường biến

(b)


23

thiên, trong đó các giá trị đo thực tế P tổng đã được chuẩn hóa (tuyến tính) về trong giải giá trị [0,1].
Từ hình 4.22, ta có thể nhận thấy có sự tương quan rõ rệt giữa độ rung của MBA và cơng suất truyền
tải của MBA.
Hình 4.22: Biểu đồ thể hiện đồng thời các tín hiệu độ rung và P tổng của MBA đã được chuẩn hóa
về dải [0,1] trong thời gian đo thử nghiệm
Tiến hành phân tích phổ của các tín hiệu rung động, NCS đã phân tích phổ của tín hiệu theo các cửa
sổ có độ dài 5 phút, số lượng cửa sổ tính tốn là 90, tổng thời gian tính tốn phân tích phổ là 450 phút.
Kết quả phân tích cho thấy các phổ rung động có độ tương đồng tương đối cao như có thể thấy trên
hình 4.23 sau.

(a)

(c)

(b)

(d)
Hình 4.23: Các kết quả phân tích phổ cho các cửa số số : 0 (a), 10 (b), 20 (c) và 30(d)
Hình 4.23 biểu diễn biên độ của phổ rung động khi sử dụng phân tích Fourrier. Có thể nhận thấy
giữa các đồ thị có sự khác biệt về cao độ của các đỉnh phổ, nhưng vị trí của các đỉnh phổ khá ổn định.
Trên các hình đã đánh dấu một số đỉnh phổ ở lân cận các tần số cơ bản như 50Hz, 100Hz và 150Hz
cùng với một số đỉnh phổ không phải hài của tần số cơ bản như đỉnh tại 75Hz và 107.5Hz. Để biểu
diễn rõ hơn sự biến thiên của các vị trí đỉnh phổ theo thời gian, trên hình 4.24 thể hiện sự biến thiên của
đỉnh phổ trong 5 khoảng giá trị tần số :