Bài viết Khử thành phần một chiều trong tín hiệu đo lường ứng dụng trong bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải trình bày phương pháp áp dụng bộ lọc số mô phỏng khử thành phần một chiều (DC) trong tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây áp dụng trong bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải.
Trang 1116 Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy,Nguyễn Xuân Tùng
KHỬ THÀNH PHẦN MỘT CHIỀU TRONG TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
REMOVAL OF DIRECT CURRENTS IN MEASUREMENT SIGNALS APPLIED
TO FAULT LOCATION ON TRANSMISSION LINES
Nguyễn Xuân Vinh 1 , Nguyễn Đức Huy 2
, Nguyễn Xuân Tùng 2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long; vinhnx@vlute.edu.vn
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; huy.nguyenduc1@hust.edu.vn, tung.nguyenxuan@hust.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo này trình bày phương pháp áp dụng bộ lọc số mô
phỏng khử thành phần một chiều (DC) trong tín hiệu điện áp và dòng
điện đo lường từ hai đầu đường dây áp dụng trong bài toán định vị
sự cố trên đường dây truyền tải Phương pháp này sử dụng số liệu
đo lường không đồng bộ từ hai đầu đường dây, áp dụng bộ lọc số
mô phỏng để loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu đo lường và thuật
toán lặp Newton-Raphson để xác định vị trí sự cố, góc đồng bộ dữ
liệu Thuật toán đơn giản, chỉ sử dụng số liệu điện áp và dòng điện
áp dụng lọc thành phần DC kết hợp thuật toán Fourier rời rạc (DFT),
vì thế thuật toán có thể xác định chính xác vị trí sự cố khi số chu kỳ
của tín hiệu đo lường chỉ có vài chu kỳ (do cài đặt thời gian tác động
của hệ thống bảo vệ trên lưới truyền tải chỉ khoảng vài chu kỳ) Tính
chính xác và hiệu quả của thuật toán được kiểm chứng thông qua
mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink
Abstract - This paper presents an approach to apply digital mimic filter
(MIMIC) to remove direct current (DC) component in voltage and measurement currents from the two ends used in fault location on power transmission lines This approach uses two-end unsynchronized measurement signals of the line, applying digital mimic filter to remove DC component,and Newton-Raphson algorithm to determine fault location and synchronized angle The algorithm is simple, only uses voltages and currents then applying digital mimic filter that combines discrete Fourier transformation (DFT) As a result, the algorithm can determine fault location exactly when the number of cycles measurement signals have only a few cycles (because the settingtime of the protection system on the transmission grid is only a few cycles) The accuracy and efficiency of the algorithm are verified through simulation using Matlab/Simulinksoftware
Từ khóa - định vị sự cố; Newton-Raphson; đường dây truyền tải;
Lọc DC; bộ lọc mô phỏng số
Key words - fault location; Newton-Raphson; transmission lines;
DC removal; digital mimic filter
1 Giới thiệu
Hệ thống điện ngày càng mở rộng và phức tạp, trong đó
đường dây truyền tải điện là thành phần quan trọng trong
hệ thống điện và rất thường xảy ra sự cố do đường dây
truyền tải điện là bộ phận tiếp xúc thường xuyên với môi
trường Vì vậy, bài toán định vị sự cố để khôi phục lưới
điện truyền tải có ý nghĩa hết sức to lớn trong việc nâng
cao độ ổn định cũng như độ tin cậy của lưới điện
Bài toán định vị sự cố càng khó hơn, khi trong thành
phần điện áp, dòng điện đo lường trong khi sự cố đang xảy
ra có thành phần DC, vì vậy các thuật toán định vị sự cố
nếu không loại bỏ thành phần DC sẽ dẫn đến việc xác định
biên độ và pha của tín hiệu đo lường có sai số, từ đó ảnh
hưởng đến kết quả định vị sự cố và thời gian thuật toán đưa
ra kết quả định vị sẽ tăng lên
Thuật toán định vị sự cố cũng như thuật toán khử thành
phần DC trong tín hiệu đo lường đã được rất nhiều nhà
khoa học trên thế giới quan tâm, và đưa ra rất nhiều giải
thuật hiệu quả trong việc định vị sự cố Tuy nhiên, vấn đề
kết hợp thuật toán loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu
điện áp và dòng điện đo lường ứng dụng trong bài toán định
vị sự cố vẫn chưa được quan tâm đúng mức
Thuật toán [2] định vị sự cố sử dụng mô hình đường
dây thông số rải, thông số đường dây và giải thuật
Newton-Raphson để định vị sự cố và góc đồng bộ của dữ liệu
Thuật toán [3, 4] định vị sự cố cho mô hình đường dây
thông số rải, sử dụng thuật toán Newton-Raphson và số liệu
đo lường không đồng bộ
Thuật toán [5, 6] đưa ra các chỉ số để đánh giá các bộ lọc
DC, từ đó đưa ra khuyến nghị sử dụng bộ lọc số mô phỏng
kết hợp DFT hoặc phương pháp lọc Kalman cải tiến ứng
dụng lọc DC là hiệu quả nhất và mô phỏng rơle khoảng cách bằng phần mềm Matlab/Simulink, áp dụng thuật toán định
vị sự cố sử dụng tín hiệu đo lường từ một đầu đường dây Trong các thuật toán trên chỉ dừng lại ở định vị sự cố, góc đồng bộ đồng, hoặc khử DC trong bài toán định vị sự
cố chỉ sử dụng số liệu đo lường từ một đầu đường dây Vì vậy, bài báo đưa ra thuật toán kết hợp các thuật toán trên cho bài toán định vị sự cố sử dụng số liệu đo lường từ hai đầu đường dây, đồng thời kết hợp bộ lọc số mô phỏng và DFT để loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu đo lường, từ
đó giúp nâng cao độ chính xác cũng như tính khả dụng của thuật toán đối với các sự cố mà tín hiệu đo lường trong sự
cố chỉ có vài chu kỳ
2 Đồng bộ dữ liệu đo lường
Hình 1 là đường dây truyền tải minh họa cho thuật toán
l-m l m
F
Hình 1 Sơ đồ đường dây bị sự cố ngắn mạch
Ký hiệu:
, s, r, r
s
V I V I : Điện áp và dòng điện trước sự cố;
,
sf sf
V I : Điện áp và dòng điện trong sự cố;
, , ,
si ri si ri
V V I I : Điện áp và dòng điện thành phần đối
xứng trước sự cố;
, , ,
sfi rfi sfi rfi
V V I I : Điện áp và dòng điện thành phần đối
Trang 2ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 117 xứng trong sự cố
Trong đó: i= 0,1,2 thứ tự không, thuận, nghịch
Trong thực tế, tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường
từ hai đầu đường dây không đồng bộ, vì thế thuật toán trong
bài báo này gồm các bước: xác định góc đồng bộ của tín
hiệu đo lường điện áp và dòng điện, áp dụng bộ lọc số mô
phỏng loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu đo lường, xác
định vị trị sự cố và thông số Z và c1 1
Áp dụng [4] xác định góc đồng bộ tín hiệu điện áp và
dòng điện đo lường từ 2 đầu đường dây:
f =b cos−a sin − +b b cos −a sin (1)
Trong đó:
a +jb =A A +A A +A A
a + jb = A A; a3+ jb3 = A A1 4
1 s1 s2 s2 s1
A =V I −V I ; A2 =V I s2 r1−V I s1 r2
3 s1 r2 r2 s1 r1 s2 s2 r1
A =V I +V I −V I −V I
4 r1 r2 r2 r1
A =V I −V I
Áp dụng thuật toán lặp Newton-Raphson cho phương
trình (1) với nghiệm ban đầu = 0, xác định được góc đồng
bộ tín hiệu Sử dụng góc đồng bộ đồng bộ lại dữ liệu
điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây Sau đó,
dữ liệu đồng bộ là tín hiệu đầu vào của bộ lọc thông thấp
Butterworth để loại bỏ thành phần tần số bậc cao Bộ lọc
thông thấp không loại bỏ được thành phần DC, vì vậy tín
hiệu ngõ ra của bộ lọc thông thấp là đầu vào của bộ lọc số
mô phỏng để loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu đo lường
3 Thuật toán bộ lọc số mô phỏng
Thuật toán [5, 6] đưa ra bộ lọc số mô phỏng, giúp loại
bỏ thành phần DC có trong tín hiệu đo lường, khi đưa một
tín hiệu đo lường trong đó thành phần DC có dạng /
e− đi qua mạch lọc thì thành phần DC /
e− sẽ được loại bỏ
Bộ lọc số mô phỏng:
(1 s) scos s scos s
K + f − f T + jf T (2)
Trong đó: 2 50 ; 1;
s s
f T
= = : thời hằng
K được chọn sao cho ở tần số 50Hz, hệ số khuếch đại
G của bộ lọc (2) sẽ bằng 1:
(50 ) K(1 f s) f scos( s) f scos( s) 1
1
+
Trong đó: 1 s scos 2 50
s
f
2 50 cos
s
s
f
Hình 2, tín hiệu chưa loại bỏ thành phần DC thì thuật
toán định vị sự cố phải lấy tín hiệu ở chu kỳ thứ 5 từ thời
điểm ngắn mạch do tín hiệu trước đó có thành phần DC
không thể sử dụng để định vị sự cố, vì sẽ dẫn đến kết quả
định vị sự cố bị sai số
Hình 3, tín hiệu đo lường sau khi khử thành phần DC, cho thấy thuật toán có thể sử dụng tín hiệu đo lường từ chu
kỳ thứ 2 sau thời điểm ngắn mạch để áp dụng xác định vị trí sự cố
Tín hiệu ngõ ra của bộ lọc số mô phỏng trở thành tín hiệu đầu vào của bộ DFT để trích xuất biên độ và pha của tín hiệu đo lường sử dụng cho thuật toán định vị sự cố sử dụng số liệu đo lường từ hai đầu
Hình 2 Tín hiệu đo lường
Hình 3 Tín hiệu đo lường lọc DC
4 Thuật toán định vị sự cố
Áp dụng thuật toán [1] và [5] ta có:
V =cosh l V +Z sinh l I (5)
Trong đó: 1
1
y
1l l z y1 1 x3 jx4
Khi sự cố ngắn mạch xảy ra tại điểm F trên đường dây truyền tải điện thì điện áp điểm sự cố V xác định sử dụng fs
tín hiệu đầu S:
V fs =cosh(1m V) sf1+Z s nh c1 i (1m)I sf1
Điện áp điểm sự cố V xác định sử dụng tín hiệu đầu R: fr
V =cosh l m V− +Z sinh l m I− Điện áp tại điểm sự cố V xác định sử dụng tín hiệu đầu fs
S và V sử dụng tín hiệu đầu R phải bằng nhau fr V fs=V fr:
( ( )) ( ( ))
m
Trong đó: 1m=x5+ jx6; Kết hợp (5), (6), (7) và tách phần thực, phần ảo được hệ phương trình 6 biến [x x x x x x1 2 3 4 5 6]:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10 4
-150 -100 -50 0 50 100 150 200
Samples
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10 4
-150 -100 -50 0 50 100 150 200
Samples
Trang 3118 Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy,Nguyễn Xuân Tùng
( , , , , , ) ((5))
( , , , , , ) ((5))
( , , , , , ) ((6))
( , , , , , ) ((6))
( , , , , , ) ((7))
( , , , , , ) ((7))
=
=
=
=
=
=
(8)
Áp dụng thuật toán lặp Newton-Raphson giải hệ
phương trình (8) được nghiệm [x x x x x x1 2 3 4 5 6]
Sau khi có nghiệm [x x x x x x1 2 3 4 5 6], suy ra thông số
đường dây và phần trăm khoảng cách m%tính từ đầu S đến
vị trí sự cố:
1
1
( )
%
( )
abs m abs l
=
Nếu biết được chiều dài đường dây, thế vào l m* % xác định
được khoảng cách từ đầu S đến vị trí sự cố tính bằngkm
5 Kết quả
Hình 4, đường dây truyền tải điện có chiều dài
200
l= km được mô phỏng sử dụng Simulink trong phần
mềm Matlab Tín hiệu điện áp và dòng điện do khối đo
lường của Simulink là đồng bộ, nên ngõ ra của khối đo
lường: tín hiệu điện áp và dòng điện đầu R được làm lệch
đi một góc so với tín hiệu điện áp và dòng điện đầu S, sau
đó các tín hiệu bất đồng bộ này là tín hiệu đo lường sử dụng
cho thuật toán của bài báo
Hình 4 Mô hình đường dây truyền tải định vị sự cố
Bảng 1 Kết quả mô phỏng định vị sự cố
TT m thực tế (km)
Thời gian
lấy số liệu
Tín hiệu lọc DC Tín hiệu không lọc DC
m (km) Sai số (%) m (km) Sai số (%)
1 15 0,19 14,9886 0,0057 15,3375 0,1688
2 35 0,19 35,0619 0,0310 35,3012 0,1506
3 45 0,19 45,0788 0,0394 45,2728 0,1364
4 50 0,19 50,0831 0,0416 50,2561 0,1281
5 95 0,19 95,0175 0,0087 95,0332 0,0166
6 105 0,19 104,9807 0,0097 104,9641 0,0179
7 125 0,19 124,8874 0,0563 124,8040 0,0980
8 145 0,19 144,7729 0,1136 144,6149 0,1925
9 170 0,19 169,6150 0,1925 169,3480 0,3260
10 185 0,19 184,5292 0,2354 184,2014 0,3993
Bảng 2 Thông số đường dây
Bảng 3 Thông số nguồn S, R
Từ phân tích ở phần 3 và qua kết quả mô phỏng thể hiện
ở Bảng 1, thuật toán trình bày ở bài báo này đã cho kết quả định vị sự cố với sai số trung bình khoảng 0,0734% khi sử dụng tín hiệu đo lường đã loại bỏ thành phần DC ở thời điểm 0,19 giây (thời điểm xảy ra ngắn mạch 0.15 giây) Trong khi đó, nếu sử dụng tín hiệu có chứa thành phần
DC, thì thuật toán định vị sẽ đưa ra kết quả vị trí sự cố với sai số trung bình khoảng 0,1634% khi sử dụng tín hiệu ở thời điểm 0,19 giây do có thành phần DC trong tín hiệu, sai
số định vị sự cố tăng khoảng 2,2262 lần so với sử dụng tín hiệu đo lường đã loại bỏ thành phần DC
6 Kết luận
Bài báo này đã đưa ra giải thuật kết hợp các giải thuật [2, 3, 4, 5, 6] đồng thời cải tiến các giải thuật đã có:
- Áp dụng bộ lọc số mô phỏng để loại bỏ thành phần
DC cho tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây
- Thuật toán có thể định vị chính xác sự cố khi tín hiệu
đo lường trong sự cố chỉ có vài chu kỳ
- Thuật toán sử dụng thứ tự thuận của điện áp và dòng điện do đó thuật toán có thể áp dụng định vị cho mọi loại
sự cố mà không cần thuật toán phân loại sự cố
- Thuật toán có thể áp dụng định vị sự cố xảy ra trên đường dây trong lưới truyền tải cũng như trên các đường dây trong lưới phân phối điện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hadi Saadat, Power system analysis, McGraw Hill, 2002 [2] Dine Mohamed, Sayah Houari, Bouthiba Tahar, Accurate Fault LocationAlgorithm on Power Transmission Lines with use of
Two-end Unsynchronized Measurements, Serbian Journal of Electrical
Engineering Vol 9, No 2, June 2012, 189-200
[3] Sumit, Shelly vadhera, Iterative and non-iterative methods for transmission line fault-location without using line parameters,
International Journal of Engineering and Innovative Technology
(IJEIT) Vol 3, Issue 1, July 2013
[4] Renfei Che, Jun Liang, An Accurate Fault Location Algorithm for Two Terminal Transmission Lines Combined with Parameter
Estimation, IEEE, Power and Energy Engineering Conference,
APPEEC 2009 Asia-Pacific, 2009 [5] Gabriel Benmouyal, Removal of DC offset in current waveforms
using digital mimic filtering, IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol 10, No 2, April 1995
[6] Li-Cheng Wu, Chih-Wen Liu and Ching-Shan Chen, Modeling and testing of a digital distance relay using MATLAB/SIMULINK, Power Symposium, Proceedings of the 37th Annual North American, 2005
(BBT nhận bài: 18/03/2015, phản biện xong: 02/04/2015)
