Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất đến bảo vệ khoảng cách của lưới điện 220KV miền bắc việt nam

Lịch sử nghiên cứu Tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: sai số của các máy biến dòng điện BU, máy biến điện áp BI, điện trở quá độ tại vị trí sự cố,

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học Bách khoa hà nội

-

đỗ đức thành

Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất

đến bảo vệ khoảng cách của lưới điện 220kV

miền bắc việt nam

Chuyên ngành: Hệ thống điện

Luận Văn Thạc Sĩ khoa học

Người hướng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH trần đình long

LờI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đã được đăng ký và phê duyệt theo quyết định số: 2203/QĐ-BKHN-SĐH của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các

số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

BI - Máy biến dòng điện

BU - Máy biến điện áp

OST - Out of Step Trip, Chức năng cắt khi mất ổn định

PSB - Power Swings Block, Chức năng chống dao động công suất RLBV - Rơle bảo vệ

RLI - Đặc tính chắn ngoài phía bên trái

RLO - Đặc tính chắn ngoài phía bên trái

RRI - Đặc tính chắn trong phía bên phải

RRO - Đặc tính chắn ngoài phía bên phải

SCV - Swing-centre votage, điện áp tại tâm dao động

Danh mục các bảng

1 Bảng 3.1 Mạch vòng đo tổng trở và xác định hướng trong rơle 7SA513

2 Bảng 4.1 Cơ cấu nguồn của hệ thống điện miền Bắc

3 Bảng 4.2 Biểu đồ thành phần huy động nguồn từng tháng năm 2009

4 Bảng 4.3 Kiểm điểm xây dựng nguồn điện giai đoạn 2006 - 2010

5 Bảng 4.4 Kiểm điểm xây dựng lưới truyền tải giai đoạn 2006 - 2010

6 Bảng 4.5 Bảng suất sự cố lưới điện của các công ty truyền tải điện

7 Bảng 4.6 Bảng suất sự cố lưới điện 110kV của các công ty điện lực

8 Bảng 4.7 Mô hình bảo vệ khoảng cách đường dây hệ thống 220kV

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

1 Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống đẳng trị

2 Hình 1.2 Biến thiên dòng điện và điện áp trong quá trình DĐCS

3 Hình 1.3 Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t

4 Hình 1.4 Dạng biến thiên của quĩ đạo tổng trở

12 Hình 1.12 Biến thiên góc đẳng trị trong quá trình mất ổn định

13 Hình 1.13 Hệ thống đẳng trị hai nguồn từ mạng hai cửa

14 Hình 1.14 Hệ thống hình sao đẳng trị giữa hai nút S và R

15 Hình 1.15 Sơ đồ xem xét biến thiên tâm dao động

16 Hình 1.16 Sơ đồ đẳng trị giữa hai nút 2 và 3

17 Hình 2.1 Quĩ đạo biến thiên của tổng trở Z

18 Hình 2.2 Mô hình nghiên cứu dao động công suất

19 Hình 2.3 Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trường hợp mất ổn định

20 Hình 2.4 Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trường hợp ổn định

21 Hình 2.5 Đặc tính phát hiện dao động công suất của rơle 7SA511

22 Hình 2.6 Mô hình hệ thống cài đặt chức năng OST

23 Hình 2.7 Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trường hợp ổn định

24 Hình 2.8 Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trường hợp mất ổn định

25 Hình 3.1 Sơ đồ khối của chương trình tính toán PSS/E

26 Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán tích phân số

28 Hình 3.4 Sơ đồ tính toán lưới chuẩn

29 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán tính toán ổn định động

30 Hình 3.6 Sơ đồ các bước nghiên cứu ổn định động

31 Hình 3.7 Ngắn mạch đường dây 500kV Nho Quan - Thường Tín

32 Hình 3.8 Ngắn mạch đường dây 220kV Nho Quan - Ninh Bình

33 Hình 3.9 Ngắn mạch tại đầu thanh cái phía 110 kV trạm Ninh Bình

34 Hình 3.10 Mạch vòng tính toán tổng trở sự cố pha - đất

35 Hình 3.11 Mạch vòng tính toán tổng trở sự cố pha - pha

36 Hình 3.12 Phân bố mạch vòng đo tổng trở pha A - đất

37 Hình 3.13 Sơ đồ khối thuật toán bảo vệ khoảng cách

38 Hình 3.14 Mô hình đặc tính rơle RELAY2

39 Hình 3.15 Đặc tính tác động của rơle 7SA511, 513

40 Hình 3.16 Đặc tính mho cơ bản (vùng I) của rơle 7SA522

41 Hình 3.17 Đặc tính đa giác của rơle 7SA522

42 Hình 3.18 Đặc tính đa giác của rơle EPAC 3000

43 Hình 3.19 Đặc tính tác động của rơle P441

44 Hình 3.20 Đặc tính tác động của rơle P443

45 Hình 3.21 Đặc tính tác động của rơle P447

46 Hình 3.22 Đặc tính tác động của rơle SEL 321

47 Hình 3.23 Đặc tính tác động của rơle REL 100

48 Hình 3.24 Đặc tính tác động của rơle REL 511

49 Hình 3.25 Đặc tính tác động của rơle loại PD

50 Hình 3.26 Mô hình RXR1 với đặc tính dạng đa giác

51 Hình 3.27 Mô hình DISTR1 với đặc tính dạng mho

52 Hình 4.1 ảnh hưởng của điện trở quá độ với đặc tính MHO

53 Hình 4.2 ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng lên số đo bảo vệ khoảng cách

54 Hình 4.3 ảnh hưởng của tụ bù dọc đến đặc tính tác động

55 Hình 4.4 Sơ đồ nghiên cứu bảo vệ khoảng cách đường dây 220 kV

56 Hình 4.5 Ngắn mạch tại 50% chiều dài đường dây 270 Hòa Bình - 271

Nho Quan

57 Hình 4.6 Ngắn mạch tại 90% chiều dài đường dây 270 Hòa Bình - 271

Nho Quan

58 Hình 4.7 Ngắn mạch tại cuối đường dây 274 Nho Quan - 271 Ninh Bình

59 Hình 4.8 Ngắn mạch tại đầu đường dây 276 Nho Quan - 272 Ba Chè

60 Hình 4.9 Dao động góc lệch khi sự cố đường dây nghiên cứu

61 Hình 4.10 Dao động góc lệch khi sự cố đường dây Nho Quan - Hà Tĩnh

500kV

62 Hình 4.11 Quĩ đạo dao động tổng trở khi sự cố 500kV Nho Quan - Thường

Tín

63 Hình 4.12 Quĩ đạo dao động tổng trở khi thời gian cắt tc = 0,1s

64 Hình 4.13 Quĩ đạo dao động của đường dây Hòa Bình - Hà Đông

65 Hình 4.14 Cài đặt đặc tính chắn cho chức năng PSB

66 Hình 4.15 Kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của rơle PSB

67 Hình 4.16 Kiểm tra khả năng cắt chọn lọc của rơle PSB

68 Hình 4.17 Khả năng cắt mất ổn định của rơle OST

69 Hình 4.18 Kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của rơle OST

70 Hình 4.19 Mô hình rơle CIRIOS1 với đặc tính hình tròn

71 Hình 4.20 Mô hình rơle CIRIOS1 với đặc tính hình thấu kính Lens

72 Hình 4.21 Sơ đồ khối qui trình phân tích sự cố trên hệ thống điện quốc gia

73 Hình 4.22 Biến thiên của điện áp, dòng điện, tần số và quĩ đạo tổng trở ZR

74 Hình 4.23 Đặc tính tổng trở R-X và quĩ đạo tổng trở dao động ZR

MụC LụC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở ĐầU

Chương 1 - nghiên cứu hiện tượng dao động công suất 1

1.1 Nguồn gốc phát sinh hiện tượng dao động công suất 1

1.2 Biến thiên các thông số trong quá trình DĐCS 2

1.3 Phân biệt sự cố ngắn mạch và hiện tượng DĐCS 3

1.4 Một số phương pháp nhận dạng dao động công suất 6

1.4.1 Các phương thức phát hiện hiện tượng DĐCS 6

1.4.2 Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp 14

1.5 Dao động công suất trong các mạng điện phức tạp 18

Chương 2 - Nghiên cứu tác động của dao động công

suất đến hoạt động của thiết bị bảo vệ

2.2 Kiểm tra tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách 24

2.2.1 Yêu cầu về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách 24

2.2.2 Khả năng dao động công suất trong các tình huống vận hành 25

2.2.3 Tính chọn lọc khi chưa có chức năng khóa chống dao động

2.3 Cài đặt chức năng chống dao động công suất 28

2.3.1 Chức năng chống dao động công suất Power Swing 28 2.3.2 Phương thức phát hiện và cài đặt chức năng chống DĐCS 32 2.3.3 Kiểm tra tính chọn lọc của rơle khoảng cách và phân tích hiệu

4.3.4 Kết luận về sự hoạt động của bảo vệ 89 4.4 Kiểm tra sự hoạt động của bảo vệ khoảng cách 90 4.4.1 Cài đặt chức năng chống dao động công suất PSB 90 4.4.2 Hoạt động của bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch 91 4.4.3 Cài đặt chức năng “cắt khi mất ổn định” OST 93 4.4.4 Kết luận về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách 96 4.4.5 Biện pháp hạn chế hiện t−ợng dao động công suất 97

4.5 Nghiên cứu ứng dụng bộ ghi nhận sự cố Fault Recorder 98

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Dao động công suất là một trong những hiện tượng có thể gây ảnh hưởng lớn đến

hoạt động của hệ thống rơle, nếu không được nghiên cứu và chỉnh định đúng có thể dẫn đến sự cố trầm trọng của hệ thống điện Hệ thống càng phức tạp, hiện tượng dao

động điện và việc nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ càng khó khăn Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất đến các thiết bị bảo vệ nói chung và bảo vệ khoảng cách nói riêng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với các hệ thống điện hiện đại

2 Lịch sử nghiên cứu

Tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: sai số của các máy biến dòng điện BU, máy biến điện áp BI, điện trở quá độ tại vị trí sự cố, hiện tượng dao động công suất,…Một trong những yếu tố đó là hiện tượng dao động công suất Khi xảy ra hiện tượng dao động công suất, bảo vệ khoảng cách có thể tác

động nhầm làm gián đoạn cung cấp điện Từ đó, đặt ra yêu cầu nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất đến hoạt động của thiết bị bảo vệ nói chung và bảo vệ khoảng cách nói riêng

* Nghiên cứu trong nước:

Hiện tại, trong nước có rất nhiều đề tài về lĩnh vực bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện Các đề tài nghiên cứu về loại thiết bị bảo vệ theo nguyên lý: Quá dòng, so lệch, khoảng cách, đặc biệt là đối với bảo vệ khoảng cách Nếu quá trình cài đặt, chỉnh định của thiết bị bảo vệ không đúng thì bảo vệ sẽ hoạt động sai gây ra sự gián

đoạn cung cấp điện trong cả chế độ bình thường và làm trầm trọng thêm chế độ sự cố

Do đó, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của thiết bị bảo vệ khi thay đổi thông số cấu trúc lưới điện như: đóng - cắt đường dây, thêm - bớt tổ máy, thay đổi phụ tải,… Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu về lý thuyết và phân tích sự hoạt động sai của bảo vệ khoảng cách đường dây chưa được xem xét đầy

đủ, đặc biệt là khi xảy ra hiện tượng dao động công suất

* Nghiên cứu ngoài nước:

Trên thế giới, đã có một số đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu trúc

không bình thường: tăng - giảm tải, đóng - cắt các tổ máy, gây ra các nhiễu loạn đến

hệ thống và thường được gọi là hiện tượng dao động công suất Một ví dụ điển hình là

sự cố tại vùng Đông bắc nước Mỹ và phía nam Canada vào ngày 14 tháng 8 năm 2003,

hệ thống bị sụp đổ trong 9 giây, 50 triệu người bị ảnh hưởng và 22 nhà máy điện hạt nhân tách khỏi hệ thống Phải mất rất nhiều thời gian mới có thể hòa đồng bộ lại các vùng trong hệ thống và gây thiệt hại lớn về kinh tế Một trong những nguyên nhân đưa

ra để giải thích sự cố trên là sự tác động sai của các bảo vệ đường dây truyền tải khi xảy ra hiện tượng dao động công suất

Đối với hệ thống rơle bảo vệ khoảng cách đường dây 220 kV ở Việt Nam có những đặc điểm riêng, do đó cần phải có các nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là sự ảnh hưởng đến tính chọn lọc của bảo vệ khi xảy ra hiện tượng dao động công suất

3 Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):

Đề tài nhằm đạt được các kết quả sau:

- Tìm hiểu các nguyên lý tác động và vấn đề chỉnh định của hệ thống bảo vệ rơle

- Nghiên cứu hiện tượng Dao động công suất: nguyên nhân, các phương thức phát hiện dao động công suất, biến thiên của các thông số vận hành hệ thống điện trong quá trình dao động

- Nghiên cứu ảnh hưởng hiện tượng Dao động công suất đến hoạt động của các

thiết bị bảo vệ

- Đánh giá ảnh hưởng của dao động công suất đến thiết bị bảo vệ của lưới điện

220 kV miền Bắc Việt Nam

- Kiến nghị các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của dao động công suất đến hoạt

động của thiết bị bảo vệ

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống 220 kV miền Bắc Việt Nam

- Phạm vi nghiên cứu: Rơle bảo vệ khoảng cách cho các đường dây

5 Luận điểm cơ bản và các đóng góp mới

* Nội dung nghiên cứu của luận văn

- Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất trong hệ thống điện và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách

- Các phương pháp hiện đại đã được nghiên cứu để phát hiện dao động và phương thức kiểm tra tình trạng làm việc của rơle trên mô hình nghiên cứu

- Kiểm tra tình trạng làm việc của bảo vệ khoảng cách trên mô hình hệ thống điện nghiên cứu (HTĐ 220 kV miền Bắc Việt Nam) bằng phần mềm mô phỏng PSS/E - 30.2 Nhận dạng hiện tượng DĐCS và đề xuất giải pháp khắc phục

* Các đóng góp mới

- Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng giá trị cài đặt và xem xét quá trình

đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách khi xảy ra ngắn mạch

- Mô phỏng các mô hình rơle bảo vệ và nghiên cứu phản ứng của chúng trong quá trình dao động công suất

- Đề xuất các biện pháp nâng cao tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách đối với lưới điện 220 kV miền Bắc Việt Nam

6 Phương pháp nghiên cứu

- Thống kê, thu thập số liệu về tình trạng cung cấp điện, trang thiết bị bảo vệ của

hệ thống 220 kV miền Bắc Việt Nam

- Sử dụng phần mềm PSS/E - 30.2 để mô phỏng hệ thống và kiểm tra sự hoạt

động của rơle bảo vệ khoảng cách

7 ý Nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng dao động công suất khi xảy

ra sự biến động đột ngột trong cấu trúc hệ thống đến tính chọn lọc của thiết bị rơle bảo

vệ khoảng cách đường dây Kiểm chứng sự hoạt động của chức năng chống dao động công suất của rơle và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng đến tính liên tục cung cấp điện Do vậy, đề tài có tính khoa học và thực tiễn

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương, 8 bảng, 74 hình vẽ được trình bày trên 104 trang

- Chương 1: Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất

- Chương 2: Nghiên cứu tác động của dao động công suất đến hoạt động của thiết bị bảo vệ

- Chương 3: Mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E - 30.2

- Chương 4: ứng dụng cho thiết bị bảo vệ lưới 220kV miền Bắc Việt Nam Luận văn Thạc sĩ được thực hiện tại Bộ môn Hệ thống điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong quá trình thực hiện tác giả nhận được sự tận tình chỉ bảo của người hướng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH TRầN ĐìNH LONG, cũng như các ý kiến

môn Hệ thống điện Tuy nhiên, luận văn vẫn còn nhiều điểm thiếu xót, rất mong đ−ợc

sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các quí thầy, cô, các bạn bè, đồng nghiệp để luận văn đ−ợc hoàn thiện hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn

Đỗ Đức Thành

Chương 1 Nghiên cứu Hiện tượng dao động công suất

1.1 Nguồn gốc phát sinh hiện tượng dao động công suất

Dao động công suất (Power Swings) có thể phát sinh khi có sự thay đổi đột ngột cấu trúc lưới điện như: đóng, cắt một nhà máy công suất lớn, cắt đường dây

đầy tải, gây ra sự biến động mạnh các thông số trên các đường dây có đặc trưng giống như hiện tượng ngắn mạch Khi đó, dòng điện tăng lên, áp giảm xuống có thể làm cho các bảo vệ tác động nhầm, làm trầm trọng các sự cố

Theo quy định trong vận hành, khi xảy ra dao động công suất (DĐCS) các bảo

vệ không được tác động để đảm bảo tính chọn lọc của các bảo vệ và không làm trầm trọng thêm chế độ làm việc của hệ thống Do đó cần cài đặt, chỉnh định đúng các giá trị bảo vệ và thực hiện chức năng cấm bảo vệ tác động khi xảy ra dao động công suất

1.2 Biến thiên các thông số trong quá trình dao động công suất

Khi xảy ra dao động công suất thì các thông số vận hành như: điện áp, dòng

điện, công suất, góc, biến thiên rất phức tạp Trong đó, giá trị dòng sẽ tăng lên và

áp giảm xuống và bảo vệ phản ứng như lúc có ngắn mạch đối xứng Xét hệ thống

đơn giản gồm hai nguồn đẳng trị đơn giản nối với nhau qua 1 đường dây như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống đẳng trị

Dạng dòng điện và điện áp theo thời gian trong quá trình dao động như sau:

Hình 1.2 Biến thiên dòng điện và điện áp trong quá trình dao động công suất

Khi đó các thông số biến thiên theo góc lệch δ trong quá trình dao động được xác định theo biểu thức (giả thiết tổng trở hệ thống là XT và xem xét ES=ER=E1): Công suất:

2 1

E X

δ

(1-6)

Khi góc lệch δ =1800 thì dòng dao động IDĐ = 2 I N(3), bảo vệ sẽ tác động khi

có dao động công suất Đối với các bảo vệ phản ứng theo điện áp U và tổng trở Z ở tâm dao động và ở vùng lân cận nó thì điều kiện làm việc bất lợi do điện áp tại vùng này giảm mạnh [10]

Chu kỳ TDĐ phụ thuộc vào mức độ lệch tốc độ của máy phát điện đồng bộ Hiệu số ω ω1ư 2 càng lớn thì chu kỳ dao động càng bé Khi trong hệ thống có dao

động, độ dài của chu kỳ dao động nói chung là thay đổi Do xuất hiện dao động mà tốc độ quay của rôto máy phát điện bắt đầu thay đổi, ví dụ như tăng đến một mức nào đó thì giảm xuống rồi lại tăng, dao động xung quanh giá trị tốc độ đồng bộ Chu

kỳ dao động cũng thay đổi một cách tương ứng

Cần phân biệt hai trường hợp dao động: đồng bộ và mất đồng bộ Trong trường hợp ổn định, tần số trượt giảm đi rất nhanh và góc lệch δ dao động nhưng không

đạt đến 1800 Trong trường hợp mất ổn định, dấu hiệu chính là tốc độ trượt

s

ω =ω ωư tăng nhanh, chu kỳ dao động giảm xuống và góc lệch δ vượt quá giá trị

180 . Các nghiên cứu cho thấy: trong những điều kiện nhất định, các máy phát vẫn

có thể trở lại làm việc đồng bộ với nhau, nhưng quá trình này nói chung là khá dài Các dao động điện áp phát sinh trong trường hợp này ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của các hộ dùng điện Vì vậy cần phải tìm các biện pháp khắc phục

1.3 Phân biệt sự cố ngắn mạch và hiện tượng dao động công suất

Theo nguyên lý của bảo vệ khoảng cách, từ số liệu đầu vào của các biến dòng

điện BI và biến điện áp BU sẽ tính toán được trị số tổng trở ZR Giá trị ZR đo được tại

vị trí đặt thiết bị bảo vệ trong chế độ bình thường chủ yếu được xác đinh theo tổng trở tải ZT Thông thường tổng trở tải ZT nằm cách xa các vùng tác động (I, II, III) của bảo vệ khoảng cách nên bảo vệ sẽ không tác động

Khi xảy ra chế độ bất thường trong hệ thống, ví dụ như ngắn mạch gần khu vực đặt bảo vệ, giá trị tổng trở tính toán khi đó là tổng trở sự cố ZSC Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp tại vị trí đặt bảo vệ giảm đi và dòng điện tăng dẫn đến tổng trở ZSC có thể di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ (đặc tính mho, đặc tính tứ giác) Khi đó, bảo vệ sẽ cắt với thời gian tương ứng đã được cài đặt trước Giá trị tổng trở ZR giảm với tốc độ rất nhanh (dZ/dt -> ∞) từ giá trị ZT đến giá trị ZSC như minh họa trên hình 1.3a trong chế độ sự cố ngắn mạch [3]

Hình 1.3 Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t

Khi xảy ra dao động công suất với các đặc trưng gần giống như ngắn mạch, giá trị tổng trở ZR cũng biến thiên từ giá trị ZT vào trong vùng tác động của bảo vệ và dao động (Hình 1.3b) Khi đó bảo vệ khoảng cách có thể tác động nhầm gây mất

chọn lọc Người ta dựa trên tốc độ biên thiên của tổng trở ZR để phân biệt trường hợp sự cố ngắn mạch (rất nhanh) và dao động công suất (chậm hơn)

Quĩ đạo biến thiên tổng trở ZR theo thời gian trong mặt phẳng R_X có thể được

sử dụng bằng các đặc tính chắn để phát hiện dao động:

Quĩ đạo tổng trở

Đặc tính rơle

Hình 1.4 Dạng biến thiên của quĩ đạo tổng trở

Một vài loại bảo vệ như so lệch về nguyên tắc không tác động khi có dao động công suất, nhưng phần lớn các loại bảo vệ không phân biệt được dao động công suất với ngắn mạch đối xứng, cho nên phải có biện pháp để tránh không cho bảo vệ tác

động khi có dao động công suất Người ta đã dùng 3 cách để thực hiện yêu cầu trên

- Cách thứ nhất thực hiện đơn giản nhất Nội dung của nó là chọn các tham số khởi động của các rơle khởi động sao cho khi có dao động công suất chúng không tác động Với mục đích trên người ta chọn dòng khởi động của các bảo vệ dòng điện lớn hơn dòng dao động cực đại IKĐ > IDđmax Đối với bảo vệ khoảng cách ZKĐ phải chọn nhỏ hơn giá trị điện trở cực tiểu có thể có tại nơi đặt bảo vệ khi có dao động công suất Điều kiện này có thể thực hiện được nếu như tâm dao động nằm ở ngoài vùng tác động của bảo vệ Trên thực tế biện pháp ngăn ngừa tác động nhầm này khi

có dao động công suất chỉ có thể áp dụng cho bảo vệ dòng điện cắt nhanh và vùng một của bảo vệ khoảng cách

- Cách thứ hai là cho bảo vệ tác động với thời gian duy trì vào khoảng 1-2s Biện pháp này được áp dụng trong trường hợp nếu như tăng thêm thời gian làm việc

của bảo vệ như vậy không ảnh hưởng gì đến điều kiện ổn định của hệ thống và an toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện

- Cách thứ ba là dùng bộ khóa để tự động khóa bảo vệ lại khi xuất hiện dao

động công suất Thiết bị khóa cần phải thỏa mãn hai điều kiện cơ bản sau đây:

a Khóa được bảo vệ khi có dao động công suất xuất hiện trong tình trạng làm việc bình thường cũng như khi có ngắn mạch

b Không được ngăn cản bảo vệ tác động nếu như trong thời gian có dao động lại xảy ra ngắn mạch ngay trên phần tử được bảo vệ

ở Nga thường dùng hai loại thiết bị khóa: loại thứ nhất phân biệt ngắn mạch với dao động công suất bằng cách phát hiện sự mất đối xứng về dòng hay áp của mạng điện; Loại thứ hai phản ứng theo tốc độ biến thiên dòng, áp hay điện trở ở chỗ

đầu của ngắn mạch ba pha, ở đầu ra của bộ lọc xuất hiện áp và dòng thứ tự nghịch Tuy chúng chỉ xuất hiện trong chốc lát nhưng vẫn đủ để cho rơle RU2 tác động Như vậy có thể kết luận là khác với dao động công suất, ngắn mạch luôn luôn gây nên dòng và áp thứ tự nghịch hoặc lâu dài hoặc ngắn hạn

Nguyên tắc làm việc của khóa bằng rơle thứ tự nghịch là nó cho phép bảo vệ tác động khi xuất hiện dòng và áp thứ tự nghịch và không cho phép bảo vệ làm việc nếu như dòng và áp không mất đối xứng (U2=0 và I2=0)

Bộ khóa này làm việc như một thiết bị khởi động chỉ cho phép bảo vệ tác động khi có ngắn mạch nhưng không được làm việc khi có quá tải hay dao động công suất Để khi ngắn mạch ba pha bảo vệ cũng có thể tác động được, bộ khóa phải có phần tử ghi nhận sự mất đối xứng ngắn hạn ban đầu

1.4 Một số phương thức hiện đại nhận dạng dao động công suất

1.4.1 Các phương thức phát hiện hiện tượng dao động công suất

A1 Phương pháp giá trị tổng trở [22]

Khi xảy ra quá trình dao động công suất, tổng trở đo được di chuyển một cách chậm chạp trên đặc tính R-X và mức thay đổi tổng trở được xác định bởi tần số trượt của hệ thống hai nguồn đẳng trị tương đương Biểu đồ khối chống dao động (Power Swings Block - PSB) thông thường sử dụng mức độ sai khác tổng để phân biệt sự cố

và hiện tượng dao động công suất Để có thể nhận diện sự thay đổi này, sử dụng một khoảng giới hạn giữa hai đặc tính tác động đồng tâm và một bộ định thời gian để xác định khoảng thời gian đặc tính tổng trở di chuyển qua chúng Nếu tổng trở di chuyển qua hai đặc tính đồng tâm với thời gian ngắn, rơle sẽ xác nhận đó là một sự

cố Ngược lại, nếu thời gian định sẵn đã hết trước khi tổng trở di chuyển qua các đặc tính tổng trở, rơle sẽ xếp loại sự kiện đó là dao động công suất

a Biểu đồ đặc tính đồng tâm

Phương pháp đơn giản nhất để đo mức thay đổi tổng trở là xác định thời gian trôi qua một vùng giới hạn bởi hai đặc tính tổng trở của véctơ tổng trở Đặc tính tổng trở thứ hai đồng tâm với đặc tính tổng trở thứ nhất Có hai cách thực hiện: thêm hai

đặc tính tổng trở mới hoặc chỉ thêm một đặc tính mới đồng tâm với một đặc tính bảo

vệ đã có sẵn Hình 1.5 đưa ra một đặc tính rơle đồng tâm được sử dụng cho chức năng cắt mất đồng bộ (Out-of-Step Trip - OST) và chống dao động công suất PSB

Đặc tính này có điểm thuận tiện là sự cảm nhận hiện tượng dao động công suất

được kiểm tra trước khi tổng trở tiến vào vùng cắt và có thể khóa bảo vệ nếu cần thiết Điều này được thực hiện bởi việc cài đặt đặc tính đồng tâm nằm phía ngoài

đặc tính cắt của bảo vệ Để có thể cài đặt đúng thì thường cần phải nghiên cứu thêm quá trình ổn định động của hệ thống

Các đặc tính này sẽ giới hạn công suất truyền tải trên đường dây hay giới hạn tầm của đặc tính tổng trở ngoài Riêng đối với đặc tính đa giác cần tránh đường đặc tính đa giác trùm lên đặc tính tải Đặc biệt là đường dây dài tải nặng thì yêu cầu này cần được chú ý

Đặc tớnh trong

di chuyển vào vùng đặc tính bảo vệ với một góc gần 900 so với góc của đường dây Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của lưới điện, điều này có thể luôn luôn đúng nhưng

nó có thể được coi là giả thiết đơn giản hóa Một điểm thuận tiện của đặc tính chắn

là nó có thể sử dụng độc lập với đặc tính bảo vệ Thêm vào đó, khi véctơ tổng trở đã

nằm trong khoảng tổng trở chắn, phần tử rơle bảo vệ có thể khóa không cắt trong trường hợp tải nặng hoặc dao động công suất ổn định Nếu nhận thấy hiện tượng dao

động công suất không ổn định, phần tử đặc tính cắt MHO có thể cho phép cắt tức thời hoặc cắt với thời gian trễ để giảm thiểu quá điện áp phục hồi trên máy cắt Để

có thể chỉnh định đúng đặc tính chắn yêu cầu quá trình phân tích mạng lưới rất chi tiết

Dao động ổn định

được dùng để cắt có giới hạn khi đặc tính tải nằm ngoài đường đặc tính chắn Biểu

đồ đặc tính đơn không thể phân định giữa một sự cố và điều kiện cắt vượt phép cho

đến khi sự cố đi qua đặc tính chắn thứ hai trong một khoảng thời gian cho trước Như thế, biểu đồ này không thể sử dụng để khóa bảo vệ cắt máy cắt khi xảy ra dao

động công suất mất ổn định, bởi vì rơle sẽ cắt theo mức ưu tiên theo biểu đồ xác

định điều kiện mất ổn định Nó còn được sử dụng để chặn quá trình tự động đóng lại khi dò thấy hiện tượng dao động công suất mất ổn định Thêm vào đó, nó làm trễ sự tác động của chức năng OST cho đến khi quá trình dao động góc vượt quá 1800 và

quay trở lại với điều kiện vận hành bình thường Điểm thuận lợi của biểu đồ đường chắn đơn là sự hữu dụng khi có sự bao trùm lên đặc tính tải khi tải thay đổi

- Biểu đồ Rdot

Quá trình cắt do mất đồng bộ trên đường dây liên lạc điện áp cao đôi khi yêu cầu trước hết điện áp tại tâm dao động tiến tới một giá trị cực tiểu Điều này ngăn chặn biến động điện áp rất xấu đến hệ thống điện bởi việc cắt tải không mong muốn

và mất đồng bộ giữa từng khu vực của mạng lưới điện Rơle OST được gia cố thêm

tỷ lệ của thành phần trở kháng biểu kiến được gọi là biểu đồ Rdot Trở kháng căn cứ trên thuật toán điều khiển được đưa ra như sau:

1 Rơle OST thông thường: Y1= (R-R1) ≤ 0 (1-7)

2 Rơle Rdot: Y2= (R-R1) + T1 R

0

d

dt ≤ , (1-8) trong đó: Y1 và Y2 là tín hiệu điều khiển đầu ra,

R trở kháng biểu kiến được đo bởi rơle,

R1 đã cài đặt Đường cắt Y2 là một đường thẳng có một hệ số góc nghiêng T1 trong

hệ trục R-Rdot Sự phân tách hệ thống sẽ bắt đầu xảy ra khi Y2 trở nên âm Đối với mức độ phân tách thấp (dR/dt nhỏ) sự hoạt động của biểu đồ Rdot sẽ tương tự như biểu đồ của rơle OST thông thường Hơn nữa, mức độ phân tách cao hơn dR/dt sẽ dẫn đến một giá trị Y2 âm lớn hơn và sẽ khởi động quá trình cắt sớm hơn Trong quá trình thực tế vận hành, rơle sử dụng một đặc tính gấp khúc bao gồm hai đoạn thẳng hơn là một đường thẳng như trên hình 1.7

A2 Phương pháp tính toán tổng trở liên tục :

Phương pháp này xác định điều kiện dao động công suất căn cứ trên phương thức tính toán tổng trở liên tục theo thời gian Tính liên tục ở đây được hiểu theo nghĩa, ví dụ như cứ mỗi bước 5 ms việc tính toán tổng trở được thực hiện một lần, và

so sánh với giá trị tại thời điểm trước đó Ngay sau khi có được mức độ chênh lệch của giá trị tổng trở, một tình huống mất đồng bộ được giả định là đã xảy ra nhưng chưa đảm bảo chắc chắn Giá trị tổng trở kế tiếp được đo sau 5ms sẽ được ngoại suy dựa trên sự sai khác giá trị tổng trở đo được trước đó Nếu quá trình ngoại suy là

đúng, nó sẽ chứng tỏ rằng quĩ đạo tổng trở là dao động Trong tình huống đó, điều kiện dao dộng công suất được nhận biết Để tăng tính tin cậy, quá trình tính toán ngoại suy vẫn cần được thực hiện thêm

Hình 1.8 Quĩ đạo đặc tính tổng trở liên tục

Mức độ sai khác của tổng trở không cần phải đề cập đến vì thuật toán sẽ tự

động đánh giá tổng trở sai lệch đo được giữa hai lần tính toán kế tiếp và thiết lập giá trị tổng trở sai lệch cho bước kế tiếp Điều này dẫn tới tổng trở chênh lệch sẽ được tính toán động và thích ứng với sự thay đổi của tổng trở dao động công suất Thời gian tính toán giữa các bước cũng không đặt ra bởi vì nó được xác định bởi chu kì

tính toán của thuật toán sử dụng Nếu thời gian véctơ tổng trở thay đổi không tiếp cận tới đặc tính cắt nhanh hơn việc xác định điều kiện mất ổn định một cách chắn chắn (ít nhất 3 lần tính toán, mỗi lần 10 ms), quá trình phát hiện được coi là thành công

A.3 Phương pháp điện áp tại tâm dao động

Điện áp tại tâm dao động ( Swing-centre votage - SCV) được định nghĩa như là

điện áp tại nơi có giá trị bằng không của hệ thống hai nguồn đẳng trị tương đương khi góc lệch giữa hai nguồn là 1800 Khi hệ thống hai nguồn mất ổn định và tiến tới trạng thái mất đồng bộ sau một vài sự cố, độ chênh lệch góc giữa hai nguồn δ( )t sẽ tăng lên như là một hàm của thời gian Hình 1.9 minh họa biểu đồ góc pha điện áp của một hệ thống hai nguồn máy phát, với điện áp tại tâm dao động được biểu diễn

từ điểm 0 đến điểm 0’

Công thức tính xấp xỉ của điện áp SCV được xác định như sau:

SCV ≈ V c S osϕ (1-9) Trong đó : V S là biên độ của điện áp đo lường được, ϕ là góc lệch giữa véc tơ

điện áp Vs và dòng điện như trên hình 1.10 Trên hình 1.10, nhận thấy rằng giá trị V.cosϕ là hình chiếu của Vs trên trục dòng điện I Đối với hệ thống đồng nhất, với góc θ gần 900, V.cosϕ xấp xỉ giá trị biên độ của điện áp tại tâm dao động Để phát hiện dao động công suất, yếu tố thay đổi của điện áp tại tâm dao động là thông tin chính của dao động hệ thống Do đó, sự sai khác trong biên độ SCV của hệ thống và giá trị ước lượng ảnh hưởng đến quá trình nhận biết dao động công suất

Hình 1.9 Đặc tính điện áp tâm dao động SCV

Từ quan hệ giữa SCV và độ sai khác góc lệch pha δ( )t của góc pha điện áp hai nguồn có thể đơn giản hóa như sau:

1800 Đặc tính này được triển khai để phát hiện dao động công suất Đạo hàm theo thời gian của SCV1 :

+ SCV độc lập với tổng trở của lưới và nguồn điện, cũng tương ứng với tổng trở và sự thay đổi của công suất tác dụng, giá trị SCV phụ thuộc vào đường dây và tổng trở nguồn và những thông số khác

+ Trị số SCV dao động giữa 1 giá trị thấp là 0 và một giá trị cao là 1 tính trong

hệ đơn vị tương đối, điểm yếu của thông số tổng trở hệ thống Điều này trái ngược

với các thông số điện khác, ví dụ như tổng trở, dòng điện và công suất P,Q; giới hạn của chúng phụ thuộc vào sự đa dạng của thông số hệ thống

+ Biên độ của SCV liên hệ trực tiếp với góc lệch δ giữa hệ thống hai nguồn

Ví dụ, nếu biên độ đo được của SCV bằng một nửa giá trị danh định, tức góc

0

120

δ = , với giả thiết biên độ điện áp nguồn bằng sức điện động hệ thống đẳng trị

A4 Nguyên lí góc pha đồng bộ

Phương thức cổ điển phát hiện hiện tượng mất đồng bộ dựa trên nguyên lí xác

định quĩ đạo tổng trở pha trong hệ tọa độ R-X, từ đó đề xuất nguyên lí mới ưu việt hơn để nhận biết tình trạng không đồng bộ Khi trạng thái không đồng bộ lan rộng trong lưới điện, tốc độ góc của các máy phát sẽ có sự sai khác nhau Khi một phần

hệ thống trở nên mất đồng bộ với phần còn lại, các giá trị góc pha điện áp nút gần vị trí các máy phát sẽ dao động tương ứng với sự biến động tốc độ góc các máy phát Quá trình thu thập giá trị góc pha điện áp tại các nút trong hệ thống có thể thực hiện trong thời gian thực Từ đó mở ra một hướng mới cho rơle phát hiện mất đồng

bộ Khi hệ thống bảo vệ phát hiện trạng thái mất đồng bộ, biểu đồ hoạt động cắt có thể thực hiện việc phân tách hệ thống và tiến hành sa thải phụ tải

Hai phương thức tiếp cận trên được mô tả như sau:

1 Quá trình tương đương hóa hệ thống bằng hai nguồn đẳng trị tương đương là

có thể thích hợp, cách tiếp cận theo hướng đo lường đồng bộ góc pha giữa điện áp sau điện kháng quá độ của hệ thống hai máy phát Khi xảy ra sự cố, giá trị góc pha giữa hai máy phát được tính lại và thực hiện thuật toán cân bằng diện tích trực tiếp

để xác định 1 điểm cân bằng mới có thực sự tồn tại hay không?

2 Hướng thứ hai thực hiện việc đo lường thành phần thuận của góc pha tại hai hoặc nhiều nút xác định vị trí của quĩ đạo Trong suốt quá trình nhiễu loạn hệ thống, góc pha giữa hai tín hiệu áp được tính toán trong thời gian thực và áp dụng thuật toán ngoại suy để phán đoán sự cố có ổn định hay là không? Một xu hướng khác sử dụng mô hình của dạng sóng sinus giảm dần theo hàm mũ của điện áp:

Thuật toán ngoại suy nhận biết sự thay đổi thông số góc lệch và xác định điều kiện ổn định hay không ổn định

1.4.2 Một số lưu ý khi sử dụng các phương pháp hiện đại

a Các thông số dùng để phát hiện hiện tượng dao động công suất:

Có rất nhiều thông số khác nhau được sử dụng để phát hiện hiện tượng dao

động công suất và thực hiện chức năng PSB và OST Hầu hết các bộ chống dao động công suất cổ điển sử dụng phương pháp đo lường mức độ thay đổi của tổng trở Các thông số khác cũng được sử dụng như: mức thay đổi công suất, góc lệch pha trên

đường dây hoặc giữa các đường dẫn, mức chênh lệch điện áp tại tâm dao động giữa hai lần đo kế tiếp,…

Hầu hết các bộ chống dao động công suất yêu cầu chỉnh định rơle với các thông số rất khó tính toán và hầu hết cần thực hiện thêm các nghiên cứu về ổn định khi áp dụng Một trong những nguyên nhân là chúng phụ thuộc vào tổng trở đường dây và vị trí các máy phát Do đó cần đưa ra bộ chống dao động công suất mới khắc phục được các nhược điểm trên Trên hình 1.11, chúng ta có thể khảo sát sự biến thiên của các thông số khác nhau của chức năng phát hiện dao động công suất và xác định mức phụ thuộc vào tổng trở hệ thống

Quĩ đạo tõm

b Thiết lập đặc tính đồng dạng và biểu đồ chắn:

Trong thực tế áp dụng và chỉnh định chức năng PSB và OST, cần có đủ thời gian để thực hiện khóa phần tử khoảng cách sau khi phát hiện một hiện tượng dao

động công suất, phần tử tổng trở tác động phía trong của PSB được đặt phía ngoài

đặc tính bảo vệ khoảng cách lớn nhất muốn khóa Thêm vào đó, phần tử tổng trở ngoài phải đặt cách xa vùng tải để chặn sự tác động lôgic của PSB sử dụng đặc tính mho gây ra bởi đường dây tải nặng

Những yêu cầu trên rất khó đạt được khi áp dụng, nó phụ thuộc vào mối quan

hệ giữa tổng trở đường dây và tổng trở nguồn Hình 1.11 chỉ ra một cách biểu diễn

đơn giản của một đường dây liên lạc giữa hai máy phát trong tọa độ phức khi xảy ra một dao động tổng trở Hình 1.11a biểu diễn một hệ thống mà tổng đường dây ZL

lớn hơn tổng trở nguồn Ngược lại, hình 1.11b diễn tả một hệ thống trong đó tổng trở đường dây ZL nhỏ hơn tổng trở nguồn

Có thể quan sát thấy trên hình 1.11a, quĩ đạo tâm dao động có thể di chuyển vào vùng 2 hoặc vùng 1 của đặc tính tác động khoảng cách trước khi góc pha giữa hai điện áp nguồn tiến đến 1200 ngay cả khi dao động là ổn định Trong tình huống này, rất khó cài đặt đặc tính tổng trở trong và ngoài của chức năng PSB, đặc biệt là khi đường dây tải nặng, bởi vì có sự xâm lấn của vùng tổng trở tải Trước đây, để tránh việc khóa nhầm bảo vệ do tải gây ra, người ta sử dụng đặc tính dạng thấu kính hoặc đặc tính hình tròn mho có thêm các đặc tính chắn (blinder) Các rơle số hiện

đại có giới hạn vùng đặc tính tác động để tránh vùng xâm lấn của tải Hệ thống với

đặc điểm như trên hình 1.11b trở nên mất ổn định trước khi quĩ đạo dao động di chuyển vào vùng 2 và vùng 1 của đặc tính tác động, do đó quá trình cài đặt phần tử tổng trở trong và ngoài rất đơn giản

Một khó khăn khác đối với chức năng PSB cổ điển là sự tách biệt giữa phần tử tổng trở PSB và giá trị thời gian được cài đặt khi sử dụng để phát hiện hiện tượng dao động công suất Quá trình cài đặt các giá trị không tính toán qua ba bước và phụ thuộc vào hệ thống lúc xem xét, do vậy quá trình nghiên cứu ổn định cần được bổ xung để phát hiện dao động công suất nhanh nhất và chỉnh định đúng phần tử tổng trở PSB Nhìn chung, do tính phức tạp của hệ thống nên không thể xác định chính

xác mức độ trượt giữa hai hệ thống đẳng trị Hơn nữa, bằng cách tiến hành nghiên cứu ổn định và phân tích diễn biến của góc lệch của hệ thống theo thời gian, một mặt có thể bỏ qua mức trượt trung bình dạng 0/sec hoặc chu kỳ/giây Hướng tiếp cận này có thể gần đúng cho hệ thống mà trong đó tốc độ trượt không thay đổi đáng kể

ra ngoài tốc độ đồng bộ Ngoài ra, trong nhiều hệ thống có tần số trượt tăng lên

đáng kể sau một vài chu kì đầu tiên và những chu kì tiếp theo, một sự phân tách tổng trở giữa phần tử tổng trở PSB và một thời gian trễ định trước có thể không phù hợp

để tạo ra 1 tín hiệu khóa bảo vệ với đặc tính mho

c Chỉnh định đặc tính đa giác:

Sau đây sẽ đưa ra các bước chỉnh định cho đặc tính đa giác với hệ thống 2 nguồn đẳng trị Những chỉ dẫn này áp dụng cho tất cả các đặc tính khác đã giới thiệu trên hình 1.5 và làm rõ thêm dưới đây:

- Thiết lập đặc tính chắn ngoài nằm bên trong vùng tổng trở tải lớn nhất có thể với mức độ dự trữ được minh họa trên hình 1.5c

- Thiết lập đặc tính chắn trong nằm phía bên ngoài tất cả các vùng đặc tính tác

động có thể tiếp cận tới, mà sẽ bị khóa khi điều kiện dao động được thỏa mãn Thông thường, việc khóa bảo vệ khoảng cách giống như cắt bỏ phần tử khoảng cách bởi tín hiệu liên động

- Dựa trên đặc tính trong và ngoài được cài đặt trong bước trước, giá trị thời gian khóa dao động T1, có thể được tính toán từ phương trình dưới đây với các thông tin của tổng trở nguồn Z1S, tổng trở tải Z1L và tổng trở nguồn xa Z1R Góc Ang1R và Ang2R là các góc điện nhìn từ các đường đặc tính chắn trong và ngoài tương ứng như trên hình 1.12 Tần số góc trượt lớn nhất Fslip cũng được giả thiết trong quá trình tính toán Tần số Fslip thường được chọn giữa 4 đến 7 Hz

Vị trớ tải

Đặc tớnh chắn ngoài

Đặc tớnh chắn trong

Hình 1.12 Biến thiên góc đẳng trị trong quá trình mất ổn định OSS

Trong hệ thống điện phức tạp rất khó để tính đúng giá trị tổng trở nguồn (hình 1.12), do vậy cần thiết tạo ra đặc tính chắn và chỉnh định thời gian khóa dao động Tổng trở nguồn biến đổi tùy theo sự thay đổi cấu trúc lưới, ví dụ như khi thêm vào 1 máy phát và phần tử khác Tổng trở nguồn cũng thay đổi đột biến trong suốt khi xảy

ra sự gián đoạn hệ thống và chức năng PSB và OST được truy xuất tới Việc thiết kế chức năng PSB sẽ đạt được chuẩn xác nếu tổng trở nguồn vẫn là hằng và có thể tính toán chúng dễ dàng Thông thường, để cài đặt đúng chức năng PSB thông dụng cần quá trình nghiên cứu ổn định hệ thống rất chi tiết và cần thiết xem xét tất cả các trạng thái nguy hiểm để xác định tổng trở nguồn tương đương phù hợp

Ngoài ra cần nghiên cứu hệ thống một cách cẩn trọng và đặc biệt là đối với

đường dây tải nặng, trong đó vùng tải đủ gần với đặc tính tác động cần được khóa khi điều kiện dao động công suất xảy ra Trong tình trạng này, khoảng cách giữa đặc tính chắn trong và ngoài có thể đủ nhỏ để gây ra sai số thời gian Nếu vùng biến thiên của tải trùm lên đặc tính khoảng cách và cần khóa chúng khi xảy ra dao động công suất Một mặt không thể đặt đặc tính PSB giữa tải và vùng tác động khoảng cách, hai là không thể áp dụng chức năng chống dao động thông thường Khi đó yêu cầu một rơle hiện đại phù hợp với vùng biến thiên của tải

1.5 Dao động công suất trong các mạng điện phức tạp:

Để xác định diễn biến quá trình dao động công suất trên các đường dây trong suốt quá trình mất động bộ thì phải thực hiện quá trình đẳng trị hóa hệ thống điện phức tạp, chú trọng đến các đường dây xem xét, thành 1 hệ thống hai nguồn đẳng trị Có hai phương pháp đẳng trị:

- Phương pháp sử dụng giá trị đầu ra của một mạng tương đương từ chương trình tính toán ngắn mạch phổ dụng

- Phương pháp sử dụng dòng ngắn mạch ba pha từ một phần mềm tính toán ngắn mạch hoặc tính toán bằng tay

Tuy nhiên, đối với hệ thống phức tạp với nhiều máy phát đồng bộ, cấu trúc hệ thống, phương thức huy động nguồn khác nhau tùy thuộc vào sự biến thiên của tải

Do đó, việc xác định các giá trị tổng trở nguồn ZS và ZR là rất khó khăn Quá trình xem xét đẳng trị hệ thống phức tạp thành hai nguồn đẳng trị minh họa rất hiệu quả cho phương pháp phát hiện dao động công suất và lý thuyết chống DĐCS

Tổng trở ZT đặc trưng cho cân bằng giữa biên độ điện áp giữa các nguồn và xác định tâm dao động có đi qua đường dây hay không

1.5.2 Phương pháp thứ hai:

Quá trình đẳng trị hệ thống phức tạp căn cứ trên hiểu biết về dòng ngắn mạch

ba pha tổng tại hai đầu cuối của đường dây và dòng ngắn mạch trên đường dây đối với mỗi sự cố tương ứng

Từ đó đưa ra các dữ liệu sau:

- I3Ph-S : dòng ngắn mạch ba pha tổng khi sự cố tại nút S, p.u

- I3Ph-R : dòng ngắn mạch ba pha tổng khi sự cố tại nút R, p.u

- I3Ph-RS : dòng ngắn mạch ba pha chạy trên đường dây khi sự cố tại nút S, p.u

- I3Ph-SR : dòng ngắn mạch ba pha chạy trên đường dây khi sự cố tại nút R, p.u Tính toán các hệ số:

3 3

Ph RS S

Ph S

I K I

Ph S

I K I

ư

ư

Khi đó sơ đồ hình sao thay thế:

Hình 1.14 Hệ thống hình sao đẳng trị giữa hai nút S và R

=

ư + W1 =Z Th Sư ưX1 (1 ưK S) (1-16) Trong đó ZTh-S là tổng trở thuận nhìn từ điểm sự cố tại nút S, có giá trị:

Ví dụ sử dụng phương pháp thứ hai để xác định vị trí tâm dao động với hệ thống điện xem xét có cấu trúc như sau:

Hình 1.15 Sơ đồ xem xét biến thiên tâm dao động

Quá trình đẳng trị mạng hai cửa tương đương xuất phát từ hai nút 2 và 3, từ đó xác định tâm dao động có đi qua đường dây c hay không

Đầu tiên cần xác định ma trận tổng dẫn nút YBus và nghịch đảo nó để có được

Khi sự cố tại nút 2, điện áp tại nút 3 là 0,5 pu Do đó, dòng sự cố chạy trên

đường dây c đến nút 2 là -j1,25 pu Tương tự như vậy, khi sự cố tại nút 3, điện áp nút

2 là 0,4 pu và dòng là -j1,0 pu

Các giá trị dòng sự cố như sau:

I3Ph-2 = -j 7,5 pu I3Ph-3 = -j 9,0 pu I3Ph-32 = -j 1,25 pu I3Ph-23 = -j 1,0 pu Tổng trở thành phần thuận của đường dây là: ZL = j0,4

Đánh tên nút 2 - 3 là S - R tương ứng và tính toán các hệ số KS, KR, ZTh-S ta có:

KS = 0,17 KR = 0,11 và ZTh-S = -j 1,33 pu

Từ đó, ta tính được:

X1 = j0,09 Q1 = j0,062 và W1 = j0,056

Để xác định tâm dao động có đi qua đường dây c hay không, chúng ta cần biến

đổi mạng hình sao đẳng trị sang một mạng hai nguồn tương đương như trên hình bằng cách sử dụng các công thức chuyển đổi Khi đó, các giá trị tổng trở như sau:

ZR = j0,233 ZS = j0,156 và ZTR = j0,255 Sơ đồ hệ thống đẳng trị như hình vẽ:

Chương 2 Nghiên cứu tác động của dao động công suất đến hoạt

động của thiết bị bảo vệ

2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động điện đến các thiết bị bảo vệ

2.1.1 Sự hoạt động của các thiết bị bảo vệ khi xảy ra dao động

a Bảo vệ quá dòng cắt nhanh:

Khi sử dụng bảo vệ quá dòng cắt nhanh trong lưới có xảy ra dao động công suất, có thể xảy ra hiện tượng rã lưới nếu giá trị đặt của bảo vệ này không tính đến dòng cân bằng xuất hiện khi ở hai đầu đường dây được bảo vệ AB có sự không đồng pha giữa hai bộ phận hệ thống điện

Biểu thức tính dòng điện cân bằng trong sơ đồ hệ thống như trên hình 1.1 khi xảy ra dao động công suất:

δ = Dòng này đôi khi vượt quá dòng ngắn mạch ngoài cực đại của đường dây

AB Khi đó giá trị đặt của bảo vệ quá dòng cắt nhanh phải thỏa mãn điều kiện:

Với I>> - là giá trị quá dòng ngưỡng cao, kat- hệ số an toàn tính đến ảnh hưởng của các sai số do tính ngắn mạch, do cấu tạo rơle, do thành phần không chu kỳ trong dòng ngắn mạch và các biến dòng, nó có giá trị bằng 1,2ữ1,3 đối với rơle điện cơ và 1,15 đối với rơle số

b Các bảo vệ khác:

Do sự biến thiên của các thông số dòng điện, điện áp và công suất,… sẽ ảnh hưởng đến sự hoạt động của các bảo vệ sử dụng trong hệ thống điện như rơle điện áp thấp, rơle hướng công suất, rơle tần số,…gây ra các tác động nhầm và có thể làm trầm trọng thêm sự cố, gây phân tách hệ thống Đặc biệt là ảnh hưởng đến hoạt động của rơle bảo vệ khoảng cách khi có dao động công suất

2.1.2 ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách

Khi xảy ra dao động công suất, giá trị tổng trở đo được tại vị trí đặt bảo vệ biến thiên theo thời gian, có thể di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ khoảng cách Tốc độ biến thiên của tổng trở nhỏ hơn trong trường hợp ngắn mạch và yêu cầu là phải khóa bảo vệ khi xảy ra dao động công suất

Xét ví dụ bảo vệ khoảng cách với đặc tính mho như trên hình 2.1 Để phát hiện hiện tượng dao động công suất sử dụng hai đường đặc tính tròn đồng tâm là vùng 2

và vùng 3 của bảo vệ khoảng cách Khi đó quĩ đạo biến thiên của tổng trở trong các trường hợp vận hành sẽ có một số dạng như sau (từ đường 1 đến đường 4):

Hình 2.1 Quĩ đạo biến thiên của tổng trở Z

Trong trường hợp ngắn mạch, quĩ đạo tổng trở sẽ di chuyển rất nhanh vào bên trong các đường tròn này đường 1 Đường 2 và đường 3 biểu thị trạng thái dao động công suất, khi quĩ đạo tổng trở tiến vào từ từ rồi quay trở ra ngoài các đặc tính tác

động Đường 4 đặc trưng cho trạng thái mất đồng bộ giữa hai khu vực của hệ thống

điện, đường đặc tính tổng trở cắt các đường biên vùng giá trị điện trở âm

Như vậy, khi quỹ đạo tổng trở sự cố ứng với các đường 2 và 3, rơle khoảng cách không được phép tác động vì hệ thống có khả năng tự phục hồi về trạng thái làm việc bình thường, sử dụng chức năng “khóa khi có dao động công suất” Khi hệ thống thực sự mất đồng bộ bởi các dao động công suất (quỹ đạo dạng đường 4), rơle

phải chủ động cắt đường dây được bảo vệ bằng chức năng “cắt khi có dao động công suất”

Ngoài ra, khi xảy ra hiện tượng dao động công suất còn gây một số ảnh hưởng xấu đến hệ thống được đưa ra trong phần phụ lục PL1.1

2.2 Kiểm tra tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

2.2.1 Yêu cầu về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

Tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ là khả năng của bảo vệ có thể phát hiện và loại trừ đúng phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống Cấu hình của HTĐ càng phức tạp việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ càng khó khăn

Theo nguyên lý làm việc, các thiết bị bảo vệ được phân ra: bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối và bảo vệ có tính chọn lọc tương đối

Bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối: là những bảo vệ chỉ làm việc khi sự cố xảy

ra trong một phạm vi hoàn toàn xác định, không làm bảo vệ dự phòng cho bảo vệ đặt

ở các phần tử lân cận

Bảo vệ có tính chọn lọc tương đối: là những bảo vệ ngoài nhiệm vụ bảo vệ

chính cho đối tượng được bảo vệ còn có thể thực hiện chức năng dự phòng cho bảo

vệ đặt ở các phần tử lân cận

Để thực hiện yêu cầu về chọn lọc đối với các bảo vệ có tính chọn lọc tương

đối, phải có sự phối hợp giữa đặc tính làm việc của các bảo vệ lân cận nhau trong toàn hệ thống nhằm đảm bảo mức độ liên tục cung cấp điện cao nhất, hạn chế đến mức thấp nhất thời gian ngừng cung cấp điện Ngược lại, các bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối (các rơle so lệch và khoảng cách dùng tín hiệu điều khiển) sẽ không được

đưa vào để xem xét

Bảo vệ khoảng cách có tính chọn lọc tương đối, các vùng bảo vệ có thể bao trùm lên nhau nhằm mục đích dự phòng, nên khi xảy ra dao động công suất trong hệ thống có thể dẫn đến cắt không chọn lọc Do đó cần được nghiên cứu và xem xét kỹ lưỡng trong từng tình huống vận hành

Các thiết bị bảo vệ hoạt động có đảm bảo tính chọn lọc hay không phụ thuộc rất nhiều vào chế độ vận hành của hệ thống: chế độ bình thường và sự cố Khi xảy ra dao động công suất, bảo vệ khoảng cách có thể sẽ tác động sai, mất chọn lọc Quá

trình kiểm tra tính chọn lọc thường được thực hiện thông qua các phần mềm mô phỏng hệ thống điện, giúp người tính toán có cái nhìn trực quan, toàn cảnh về chế độ làm việc khác nhau của hệ thống cũng như hành vi của các rơle bảo vệ

Đối với bảo vệ khoảng cách, sử dụng phần mềm PSS/E - 30.2 mô phỏng hệ thống điện dễ dàng kiểm tra được độ chính xác của các giá trị chỉnh định, vùng tác

động và thời gian cắt của bảo vệ bằng hình ảnh trực quan của đặc tính R_X Từ đó kiến nghị các biện pháp phòng ngừa tránh tác động nhầm của thiết bị bảo vệ nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong các chế độ vận hành khác nhau, đặc biệt là khi có hiện tượng dao động công suất xảy ra

2.2.2 Khả năng dao động công suất trong các tình huống vận hành

Dao động công suất có thể xảy ra trong hệ thống với các máy phát điện đồng

bộ khi có các biến động đột ngột của cấu trúc hệ thống như: đóng - cắt tải công suất lớn, đóng - cắt máy phát, đường dây tải nặng và sự cố ngắn mạch, Khi đó, góc lệch tương đối giữa các máy phát sẽ biến động theo thời gian và có xu hướng vượt quá giá trị 1800 tương ứng với trạng thái mất ổn định của hệ thống Chính sự biến thiên của góc lệch này mà thông số điện áp, dòng điện, công suất truyền tải, biến

động; đặc biệt là giá trị tổng trở cảm nhận tại vị trí đặt rơle sẽ từ vùng tải rơi vào vùng tác động (Vùng I, vùng II của bảo vệ khoảng cách) Do đó, nếu không cài đặt chức năng khóa khi có dao động điện thì thiết bị bảo vệ khoảng cách sẽ cắt không chọn lọc và có thể làm trầm trọng thêm sự cố

Như vậy, dao động công suất có xu hướng xảy ra trong các cấu trúc hệ thống

có các đặc điểm sau:

- Nguồn cung cấp là các máy phát điện đồng bộ công suất lớn

- Đường dây liên lạc làm việc ở chế độ tải nặng

- Khu vực phụ tải tiêu thụ có công suất lớn

2.2.3 Tính chọn lọc khi chưa có chức năng khóa chống DĐCS

Hệ thống điện với kết cấu phức tạp, phương pháp huy động nguồn khác nhau, chế độ tải thay đổi liên tục, làm cho việc cài đặt giá trị chỉnh định, kiểm tra sự hoạt động chính xác của các bảo vệ, phân tích sự cố gặp phải rất nhiều khó khăn

Đặc biệt là đối với bảo vệ khoảng cách với các đặc điểm: nhiều vùng tác động, các

đặc tính được cài đặt đa dạng và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: hệ số phân dòng, điện trở quá độ, dao động công suất, Do vậy, việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ tương đối phức tạp

Xem xét ảnh hưởng của dao động công suất đến sự hoạt động của bảo vệ khoảng cách trong mô hình nghiên cứu tổng quát sau:

Hình 2.2 Mô hình nghiên cứu dao động công suất

Rơle khoảng cách đặt tại đầu đường dây AB phía hệ thống 115 kV được nối liên động với hệ thống 500kV thông qua máy biến áp tăng áp Công suất đang truyền tải trên đường dây từ phía thanh cái B về thanh cái A Xem xét hiện tượng dao động công suất xảy ra trên đoạn đường dây AB khi có sự cố (Fault 1) xảy ra trong hệ thống 500kV Sự cố được giải trừ bởi việc các máy cắt ở hai đầu đường dây liên tiếp được cắt ra, khi đó xảy ra nhiễu loạn trong hệ thống, hiện tượng dao động công suất vẫn tiếp diễn Ban đầu, dao động công suất diễn ra rất nhanh nhưng chậm dần khi góc lệch tiến đến giới hạn 1800, tiếp đó sự mất đồng bộ xảy ra với tốc độ phát triển rất nhanh Quá trình dao động sẽ kết thúc khi hệ thống bị phân rã thành từng phần riêng rẽ bởi quá trình cắt liên tiếp của các máy cắt Khi đó, hệ thống ở trạng thái mất đồng bộ Mặt khác, sau 1 khoảng thời gian nào đó (ở đây là 0,4s), nếu máy cắt gần điểm sự cố được đóng lại để phục hồi sự làm việc của đường dây thì máy cắt sẽ bị cắt ra và dao động công suất vẫn tiếp diễn Quá trình tự đóng lại là không thành công, có thể gây trầm trọng thêm sự cố Quỹ đạo biến thiên tổng trở khi sự cố tại điểm 1 như trên hình 2.3