Định vị sự cố trên đường dây dựa trên tín hiệu đo lường không đồng bộ tại hai đầu đường dây

 Chương 3: Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây Phân tích thuật toán định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía với các nội dung chính sau: - Thuật to

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

PHẦN MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1

1.1 Sự cần thiết phải nâng cao độ chính xác của định vị sự cố 1

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của tính toán định vị sự cố 2

1.3 Tổng quan các phương pháp định vị sự cố áp dụng cho đường dây trên không của lưới truyền tải điện 2

1.4 Đề xuất hướng nghiên cứu của luận văn 11

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ GÂY SAI SỐ ĐỐI VỚI ĐỊNH VỊ SỰ CỐ THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA 16

2.1 Nguyên lý của phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía 16 2.1.1 Nguyên lý làm việc 16

2.2 Các thuật toán tính toán tổng trở trong rơle khoảng cách 17

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía 19

2.3.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố 20

2.3.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố 22

2.3.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song 22

2.3.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 23

CHƯƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG KHÔNG ĐỒNG BỘ TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 25

3.1 Nguyên lý chung của định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây 25

3.1.1 Cơ sở tính toán của phương pháp 25

3.1.2 Trường hợp tín hiệu đo không được đồng bộ 26

3.1.3 Nhược điểm của các phương pháp định vị sự cố theo tín hiệu đo từ hai đầu thông thường 29

3.2 Nghiên cứu phương pháp định vị sự cố dựa theo phân bố độ lớn điện áp từ hai đầu đường dây đến điểm sự cố 31

3.2.1 Các mô hình đường dây sử dụng trong tính toán và lý do lựa chọn 32

3.2.2 Xác định vị trí sự cố với đường dây sử dụng mô hình thông số rải 33

3.2.4 Xác định vị trí sự cố với đường dây sử dụng mô hình thông số tập trung bỏ qua

điện dẫn của đường dây 37

3.2.5 Lựa chọn loại dòng điện và điện áp trong tính toán góc đồng bộ 38

3.3 Nhận xét đối với phương pháp định vị theo phân bố độ lớn điện áp 39

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 40

4.1 Công cụ sử dụng 40

4.1.1 Phần mềm mô phỏng 40

4.1.2 Thông số của đường dây và hệ thống được mô phỏng 40

4.2 Các kịch bản mô phỏng 43

4.3 Kết quả mô phỏng và các nhận xét 44

4.3.1 Kết quả tính toán với một bộ số liệu cụ thể 44

4.3.2 Kết quả tính toán với các trường hợp còn lại biểu diễn dưới dạng đồ thị 46

4.3.3 Nhận xét kết quả 48

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 50

5.1 Kết luận 50

5.2 Các đóng góp của tác giả 51

5.2 Phương hướng nghiên cứu trong tương lai 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác.Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả

Roãn Khắc Thắng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ phương thức bảo vệ của đường dây truyền tải 3

Hình 2 Rơle GRL100 của hãng Toshiba và 7SA6xx của hãng Siemens 4

Hình 3 Sai số định vị sự cố đối với rơle GRL100 của hãng Toshiba 5

Hình 4 Sơ đồ tổng quan phương pháp định vị sự cố dựa trên bản ghi sự cố của các rơle hai đầu đường dây 5

Hình 5 Định vị sự cố dựa theo ứng dụng của trí tuệ nhân tạo 7

Hình 6 Sơ đồ minh họa phương pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố 8

Hình 7 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây 9

Hình 8 Giao diện của thiết bị định vị sự cố của hãng Nippon 10

Hình 9 So sánh tổng kết về các phương pháp định vị sự cố 11

Hình 10 Đề xuất nội dung nghiên cứu của luận văn 14

Hình 11 Bố cục các nội dung nghiên cứu của luận văn 15

Hình 12 Đặc tính làm việc điển hình của rơle bảo vệ khoảng cách của Siemens 16

Hình 13 Mạch tính toán cho sự cố pha – pha 17

Hình 14 Mạch tính toán cho sự cố pha – đất 18

Hình 15 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp 20

Hình 16 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 22

Hình 17 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song 23

Hình 18 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện 24

Hình 19 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 25

Hình 20 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu 27

Hình 21 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ 28

Hình 22 Đồng bộ lại tín hiệu đầu B theo đầu A (với đầu A chọn làm gốc) 29

Hình 23 Ví dụ bản ghi sự cố ghi nhận được bởi rơle 30

Hình 24 Thông tin rơle ghi được trước, trong và sau khi sự cố 31

Hình 25 Vị trí sự cố và phân bố điện áp tính từ hai phía tới điểm sự cố 32

Hình 26 Sơ đồ đường dây bị sự cố 34

Hình 27 Sơ đồ thay thế hình π sử dụng thông số rải của đường dây bị sự cố 34

Hình 28 Sơ đồ thay thế sử dụng thông số tập trung của đường dây bị sự cố 35

Hình 29 Sơ đồ thay thế sử dụng thông số tập trung bỏ quan điện dẫn 37

Hình 30 Sơ đồ mô phỏng của tuyến đường dây 220kV trong PSCAD 41

Hình 31 Giao diện điều chỉnh tham số sự cố 41

Hình 32 Ví dụ dạng sóng dòng điện và điện áp trước sự cố 44

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tổng kết về mạch tính toán cho sự cố pha- pha 17

Bảng 2 Tổng kết về mạch tính toán cho sự cố pha- đất 19

Bảng 3 Thông số các phần tử sử dụng trong mô phỏng 42

Bảng 4 Một bộ số liệu thu đƣợc sau mô phỏng 44

đó thông tin vị trí sự cố góp vai trò rất quan trọng trong quản lý vận hành và sửa chữa lưới truyền tải điện Việc xác định chính xác vị trí điểm sự cố giúp giảm bớt nhân công cần thiết để đi tìm điểm sự cố trên đường dây và trong trường hợp sự cố kéo dài, sẽ giúp nhanh chóng thay thế, sửa chữa các thiết bị bị hư hỏng và nhanh chóng phục hồi cấp điện trở lại

Có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định điểm sự cố, tùy theo đối tượng là đường dây truyền tải hay xuất tuyến lưới phân phối hoặc là đường cáp Đối với đường dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công cụ vừa làm nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên đường dây Tuy nhiên các rơle khoảng cách hoạt động dựa trên tín hiệu đo lường chỉ tại một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Trong nhiều trường hợp sai số có thể lên tới hàng chục km và điều này sẽ gây khó khăn cho các công tác khắc phục sau sự cố

Phương pháp định vị điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lường thu thập được từ hai đầu đường dây (là các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại hai đầu) có đồng bộ về mặt thời gian Phương pháp này thể hiện có nhiều ưu việt hơn hẳn so với phương pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía Tuy nhiên trở ngại lớn nhất là các tín hiệu đo lường được tại hai đầu đường dây thường không được đồng bộ về mặt thời gian, do đó không thể sử dụng ngay để tính toán Do đó luận văn đã đề xuất giải pháp để đồng bộ lại các tín hiệu này phục vụ cho các tính toán định vị sự cố tiếp theo

Thuật toán đề xuất được kiểm chứng thông qua mô phỏng với mô hình tuyến đường dây 220kV với chiều dài 100km

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương

 Chương 1: Tổng quan về định vị sự cố trên lưới truyền tải điện

Chương này giới thiệu tổng quan về sự cần thiết phải nâng cao độ chính xác của định vị sự cố đối với đường dây trên không.Giới thiệu sơ bộ các nghiên cứu về các phương pháp định vị sự cố và ưu nhược điểm của từng phương pháp Đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu của luận văn

 Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của rơle bảo vệ khoảng cách Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách hiện có.Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này

 Chương 3: Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây

Phân tích thuật toán định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía với các nội dung chính sau:

- Thuật toán tính toán & các ưu điểm

- Giới thiệu phương pháp định vị sự cố dựa theo phân bố điện áp đến điểm

sự cố tính từ hai phía của đường dây

- Áp dụng phương pháp định vị sự cố theo phân bố điện áp xét tới các mô hình thay thế khác nhau của đường dây: mô hình thông số tập trung bỏ qua điện dẫn của đường dây, mô hình sử dụng thông số tập trung, mô hình thông số rải

 Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng thuật toán định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo

từ hai đầu đường dây và kết luận

Thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán đã được đề xuất nghiên cứu.Mô hình được sử dụng là đường dây 220kV.Ngoài ra, còn so sánh kết quả của phương pháp được đề xuất với số liệu tính toán khi chỉ sử dụng tín hiệu đo từ một phía Mục đích là để làm rõ ưu điểm của phương pháp định vị theo tín hiệu

từ hai phía Phần mềm PSCAD được sử dụng để mô phỏng đường dây và các dạng sự cố, các tính toán được thực hiện bằng Matlab

 Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI

ĐIỆN 1.1 Sự cần thiết phải nâng cao độ chính xác của định vị sự cố

Vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã được nghiên cứu trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lưới truyền tải.Lưới truyền tải được quan tâm vì mức độ ảnh hưởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lưới phân phối

Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đường dây truyền tải điện rất quan trọng trong quản lý, vận hành và sửa chữa Định vị sự cố chính xác giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua hoặc sự cố duy trì, định vị sự cố chính xác sẽ giúp cho:

- Phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua và sự cố duy trì giảm được nhân công, nhân lực tìm kiếm sự cố Hiện nay tìm sự cố là một công việc tốn rất nhiều công sức đặc biệt các sự cố ngắn mạch pha – pha thoáng qua nhân viên vận hành phải ra dây thủ công để tìm điểm bị sự cố rất nguy hiểm, cắt điện đường dây dài ngày và tốn kém

- Định vị được sự cố giúp tìm ra nguyên nhân sự cố để có biện pháp khắc phục, phòng ngừa các sự cố tiếp theo Đặc biệt với các đường dây gồm cả đường dây trên không và cáp ngầm không cho phép tự động đóng lại, tuy nhiên khi xác định nhanh đoạn bị sự cố thuộc đoạn đường dây trên không có thể cho đóng lại nhằm đảm bảo cung cấp điện

- Với những sự cố vĩnh cửu, việc xác định chính xác điểm sự cố có thể giúp khắc phục sự cố nhanh do giảm được thời gian tìm sự cố (thông thường để phát hiện ra sự cố phải mất từ 1 đến 2 giờ do phải di chuyển, rải quân và có khi còn lâu hơn do địa hình phức tạp trong điều kiện mưa, lũ) Khi xác định nhanh được điểm sự cố có thể giúp nhà quản lý nhanh chóng đưa ra phương

án xử lý sự cố phù hợp với điều kiện địa hình, đặc điểm cúa khu vực sự cố

do đó giảm nhân lực, tài chính, và quan trọng nhất là nhanh chóng cung cấp điện cho phụ tải trong một khu vực rộng

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của tính toán định vị sự cố

Có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến độ chính xác của phép tính toán định vị

sự cố Có thể liệt kê các yếu tố đó như sau [1]:

- Điện trở tại điểm sự cố bao gồm cả điện trở hồ quang

- Mức độ dòng tải trên đường dây trước khi sự cố xảy ra

- Công suất ngắn mạch của các nguồn hai phía đường dây

- Thông số của đường dây không đối xứng do không đảo pha trên toàn tuyến

- Tổng trở của đường dây không chính xác do không có các thiết bị đo chuyên dụng

- Ảnh hưởng của các thiết bị bù dọc và bù ngang trên đường dây

- Các sai số của biến dòng điện và biến điện áp

- Độ chính xác của các bộ biến đổi tín hiệu tương tự/ số (A/D)

- Ảnh hưởng tương hỗ của các đường dây song song

- Thông số thứ tự không của đường dây không biết chính xác do sự thay đổi của điện trở suất của đất, độ võng của đường dây

- Sự không cân bằng của dòng tải trên đường dây

Nhiều nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp để định vị sự cố với mục đích khắc phục các yếu tố ảnh hưởng kể trên Các phương pháp này nhìn chung có thể chia

ra 3 loại chính như sau: định vị dựa theo tín hiệu đo chỉ từ một phía, định vị dựa theo tín hiệu đo từ hai đầu đường dây, định vị dựa theo tín hiệu sóng lan truyền Các phương pháp này sẽ được mô tả ở phần tiếp theo

1.3 Tổng quan các phương pháp định vị sự cố áp dụng cho đường dây trên không của lưới truyền tải điện

Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã được nghiên cứu trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lưới truyền

tải.Lưới truyền tải được quan tâm vì mức độ ảnh hưởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn

Các phương pháp định vị sự cố có thể được chia ra thành 3 nhóm phương pháp: sử dụng các rơle hiện có; sử dụng số liệu từ các rơle hiện có và phần mềm chuyên dụng để xác định vị trí sự cố; lắp đặt các thiết bị định vị sự cố chuyên dụng

a Định vị sự cố sử dụng chức năng của các rơle bảo vệ đường dây

Hiện nay các đường dây tải điện với cấp điện áp từ 110 kV trở lên thường được trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách (F21) và bảo vệ so lệch dọc đường dây (F87L) [2]

Hình 1Sơ đồ phương thức bảo vệ của đường dây truyền tải

- Nguyên lý định vị sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách

Chức năng định vị sự cố được tích hợp sẵn trong các rơle bảo vệ khoảng cách [1, 2, 3], rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo được.Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle sẽ tác động và ngược lại Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định dựa theo tỷ số của điện kháng đo được

và điện kháng của một đơn vị chiều dài đường dây:

Nguyên lý tính toán vị trí sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách đơn giản, dễ thực hiện và chỉ yêu cầu số liệu đo lường từ một phía (tại vị trí đặt rơle) Tuy nhiên, các nghiên cứu [1,3] và kinh nghiệm vận hành thực tế đã cho thấy phương pháp này báo

vị trí với một mức sai số tương đối lớn (có thể tới hàng chục km)

- Nguyên lý định vị sự cố trong các rơle bảo vệ so lệch đường dây

Các rơle so lệch dọc hiện đại (ví dụ loại GRL100 của hãng Toshiba [4]) đã được tích hợp thêm chức năng định vị điểm sự cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn

Thuật toán tính toán định vị sự cố trong các rơle này sử dụng tín hiệu đo lường từ rơle đặt cả ở hai đầu đường dây Do bản thân các rơle bảo vệ so lệch đã có cơ chế tự đồng bộ tín hiệu đo từ hai đầu nên phương pháp định vị sự cố theo tín hiệu đo từ hai đầu là hoàn toàn khả thi và không cần thêm các phần mềm chuyên dụng bên ngoài Tuy nhiên, hầu hết các tài liệu hướng dẫn sử dụng của rơle đều không đề cập một cách cụ thể đến thuật toán được sử dụng để xác định điểm sự cố, có thể do đây là các bí quyết của hãng chế tạo

Do sử dụng tín hiệu đo lường từ hai phía để định vị sự cố nên kết quả định vị

có độ chính xác cao hơn so với các rơle bảo vệ khoảng cách truyền thống Tài liệu hướng dẫn sử dụng của rơle bảo vệ so lệch dọc đường dây Toshiba GRL100 cho thấy có thể đảm bảo sai số định vị sự cố nhỏ hơn1km với đường dây có chiều dài nhỏ hơn 100km và sai số nhỏ hơn 1% với đường dây có chiều dài tới 400km[4]

Hình 2 Rơle GRL100 của hãng Toshiba và 7SA6xx của hãng Siemens

Hình 3 Sai số định vị sự cố đối với rơle GRL100 của hãng Toshiba

b Định vị sự cố sử dụng số liệu thu thập từ rơle và phần mềm chuyên dụng

Các nghiên cứu về định vị sự cố dựa trên số liệu đo được của các rơle đặt tại hai đầu đường dây đã được công bố trên nhiều tạp chí và đã được tổng hợp trong các sách tham khảo [1, 5, 6, 7] Các số liệu rơle đo được đã được ghi trong các bản ghi sự cố, do vậy chỉ cần gửi các bản ghi này về một máy tính chung là có thể thực hiện các tính toán

Hình 4 Sơ đồ tổng quan phương pháp định vị sự cố dựa trên bản ghi sự cố của các rơle hai

đầu đường dây

Các nghiên cứu này tập trung giải quyết các vấn đề sau đây [1, 6, 7]:

- Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường không đồng bộ từ hai đầu đường dây: do các rơle tại hai đầu đường dây có thể không được trang bị chức năng đồng bộ đồng hồ qua GPS nên số liệu đo từ các rơle này không thể sử dụng

để tính toán trực tiếp Do đó đã có các nghiên cứu đề xuất thuật toán đồng bộ các số liệu thu được này

F

BU BU

- Định vị sự cố dựa theo tín hiệu bản ghi sự cố từ các rơle đặt tại hai đầu đường dây, tuy nhiên giả thiết rằng các tín hiệu dòng điện và điện áp thu được từ hai đầu đường dây là không đầy đủ Ví dụ chỉ có bản ghi của dòng điện từ một phía đường dây và dòng điện, điện áp từ đầu đường dây còn lại Các nghiên cứu này có thể ứng dụng khi giả thiết việc đo lường trong các rơle bị trục trặc hoặc khi tín hiệu dòng điện ghi nhận được bị bão hòa, không đảm bảo chính xác để sử dụng

- Định vị sự cố áp dụng cho các đường dây có rẽ nhánh, tín hiệu đo lường vẫn thu thập từ các đầu đường dây Về bản chất các phương pháp này vẫn dựa trên tín hiệu đo từ hai đầu đường dây để định vị sự cố

- Định vị sự cố áp dụng cho các đường dây không đồng nhất sử dụng tín hiệu

đo lường từ hai đầu đường dây Các đường dây truyền tải có thể bao gồm một vài loại dây trên cùng một xuất tuyến hoặc có thể kết hợp giữa đường dây trên không và cáp ngầm, khi đó việc tính toán định vị sự cố sẽ phức tạp hơn do phải xác định được đoạn đường dây bị sự cố của đường dây đang xem xét

- Về thuật toán tính toán vị trí sự cố có thể dựa theo tính toán lặp để tìm vị trí

sự cố hoặc dựa theo việc giải trực tiếp các phương trình đại số Hoặc có thể dựa theo sự phân bố điện áp dọc đường dây để tìm vị trí sự cố

Ngoài ra còn có các nghiên cứu áp dụng trí tuệ nhân tạo trong việc phát hiện vị trí sự cố Phương pháp này đòi hỏi số lượng dữ liệu phải đủ lớn để các mạng trí tuệ nhân tạo có thể tự học trước khi áp dụng với sự cố mới, do số lượng dữ liệu sự cố đối với một đường dây thường rất ít do đó phương pháp này chưa thể đưa vào áp dụng trong các rơle hoặc phần mềm chuyên dụng

Hình 5 Định vị sự cố dựa theo ứng dụng của trí tuệ nhân tạo

ra các sóng tần số cao và lan truyền về hai đầu của đường dây Thiết bị ghi chuyên dụng sẽ ghi lại thời điểm các sóng tần số cao này lan truyền tới đầu đường dây và từ

đó tính toán vị trí sự cố Thông tin thu thập của thiết bị ghi chuyên dụng có có thể là thời điểm sóng phản xạ lần thứ nhất, thời gian sóng chạy tới cuối đường dây Phương pháp này đòi hỏi phải đồng bộ hóa thời gian cực kỳ chính xác

Xét ví dụ đường dây truyền tải với chiều dài l, vận tốc sóng lan truyền v, điện dung và điện cảm trên một đơn vị chiều dài C’, L’ và tổng trở sóng z c Giả sử sự cố

xảy ra ở khoảng cách lF tính tới nguồn A, các giá trị điện áp và dòng điện được mô

tả trong biểu thức (1.1) và (1.2)

Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố trên đường dây được minh họa trên Hình 6

Hệ thống B

Hệ thống A

BU BI

Rơle A

Mạng trí tuệ nhân tạo

Vị trí sự cố Điện trở sự cố Loại sự cố

Dữ liệu quá khứ

1 (l + (A - B).v) (1.3)

Trong đó :

- e f : Sóng điện áp thuận chạy trên đường dây

- e r : Sóng điện áp ngược chạy trên đường dây

- A: Thời điểm sóng tới đầu A

- B: Thời điểm sóng tới đầu B

- l: Chiều dài đoạn đường dây

1

Hình 7 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Phương pháp này có đặc điểm là :

- Phải có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao, chỉ một sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng cách tính được

- Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận các tín hiệu xung phản xạ

- Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín hiệu mong muốn Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu điện từ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu., không áp dụng đối với sự cố chập chờn, đứt dây không gây chạm đất hay tụt lèo

Hiện tại ngành điện một số nước trên thế giới đã ứng dụng công nghệ xác định vị trí sự cố theo phương pháp lan truyền như các hãng Qualitrol (Hathaway Instruments Division – Anh), Nippon (Nhật Bản), Kinkei (Nhật Bản) và Isa (Italia)

Độ chính xác đạt được tương đối cao, sai số trong phạm vi một vài khoảng vượt, tùy thuộc vào thiết bị của từng hãng chế tạo Nói chung các hãng đều đưa ra sai số lý thuyết về xác định điểm sự cố không lớn hơn 500m, nhưng thực tế, độ chính xác

còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thực tế lắp đặt và vận hành, đặc biệt phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy công nghệ của từng hãng Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ định vị sự cố theo phương pháp truyền sóng đã được triển khai thử nghiệm trên một số tuyến đường dây truyền tải điện áp 500kV như đường dây 500

kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng, hay đường dây 220 kV Hà Giang - Thái Nguyên mạch 1 và 2 Đường dây Hà Giang - Thái Nguyên mạch 2 với chiều dài 231,4 km sử dụng thiết bị Nippon của Nhật Bản

Hình 8 Giao diện của thiết bị định vị sự cố của hãng Nippon

Tổng kết về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện:

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

Phương pháp sử dụng tín hiệu một phía (rơle khoảng cách)

Phương pháp sử dụng tín hiệu đo lường từ hai phía

Phương pháp sử dụng nguyên lý sóng lan truyền

Độ chính xác cao hơn

 Cần tín hiệu đo từ hai phía

 Tín hiệu đo đồng bộ hoặc không đồng bộ

1.4 Đề xuất hướng nghiên cứu của luận văn

Dựa trên sự cần thiết của việc nâng cao độ chính xác của việc định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện trên không và phân tích các phương pháp định vị

sự cố đã được giới thiệu, luận văn đề xuất sử dụng thuật toán định vị sự cố dựa

theo tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây Đây là phương pháp có độ chính

xác cao hơn so với việc sử dụng các rơle bảo vệ khoảng cách hiện có, mặt khác chi phí khi sử dụng phương pháp này rất thấp do chỉ cần trang bị thêm một máy tính để thu thập và tính toán

Việc các trạm biến áp hiện nay đã có trang bị các bộ ghi dữ liệu sự cố cũng

là một thuận lợi khi sử dụng phương pháp này, do các bộ ghi sự cố thường đã được đồng bộ về mặt thời gian và tần số lấy mẫu tín hiệu cao hơn so với tín hiệu thu được từ rơle

Các nội dung nghiên cứu của các luận văn thạc sỹ trước đó về định vị sự cố trên đường dây tải điện trên không được thể hiện như sau đây:

- Phương pháp xác định điểm sự cố dựa trên thông tin từ hai đầu đường dây tải điện ( Mô phỏng áp dụng cho tuyến đường dây 220kV Việt Trì – Yên Bái) - Tác giả Nguyễn Tuấn Dũng (2012): luận văn nghiên cứu sử

dụng tín hiệu ghi nhận được trong khi sự cố để tính toán đồng bộ và định

vị sự cố một cách đồng thời

- Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa trên phân bố điện áp từ hai đầu đường dây – Tác giả Trần Thanh Sơn (2014): sử dụng tín hiệu đo lường đầy đủ tại hai đầu đường dây Phương pháp định vị được đề xuất xác định vị trí sự cố dựa theo phân bố độ lớn điện áp từ hai đầu đường

dây đến điểm sự cố Phương pháp này có ưu điểm là không cần đồng bộ

tín hiệu đo do chỉ tính toán theo độ lớn Tuy nhiên luận văn mới chỉ tính

toán với một loại mô hình thay thế của đường dây và chưa có sự so sánh với phương pháp truyền thống sử dụng rơle bảo vệ khoảng cách

- Định vị sự cố và kết hợp xác định tổng trở cho đường dây truyền tải ngắn – Tác giả Hoàng Ngọc Dũng (2014): thực hiện việc tính toán định vị sự

cố cho đường dây khi sử dụng mô hình thông số tập trung và kết hợp xác định thông số tổng trở, tổng dẫn của đường dây Các bản ghi sự cố được

sử dụng trong tính toán giả thiết đã được đồng bộ về mặt thời gian

- Định vị sự cố trên đường dây tải điện không đồng nhất dựa theo tín hiệu

đo lường đồng bộ hai đầu – Tác giả Nguyễn Văn Hưng (2014): luận văn

này giải quyết vấn đề định vị sự cố khi đường dây truyền tải không đồng

nhất, bao gồm nhiều chủng loại dây và tín hiệu đo lường là đồng bộ

- Định vị sự cố trên đườngdây rẽ nhánh dựa trên số liệu đo lường đồng bộ tại hai đầu đường dây – Tác giả Trần Quang Trung (2014): luận văn

nghiên cứu định vị cho đường dây rẽ nhánh, số liệu đo lường là đồng bộ Luận văn này xem xét hai mô hình thay thế của đường dây là mô hình

thông số tập trung và mô hình thông số rải để so sánh mức độ chính xác

- Định vị sự cố trên đường dây rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo lường không đồng bộ đầy đủ tại các đầu đườngdây – Tác giả Bành Hồng Hiển (2013):

nội dung nghiên cứu định vị sự cố cho đường dây có rẽ nhánh, tín hiệu

đo từ các phía không đồng bộ, mô hình đường dây sử dụng thông số rải

- Định vị sự cố trên đường dây rẽ nhánh dựa trên số liệu đo lường đồng bộ của rơle bảo vệ so lệch – Tác giả Nguyễn Văn Sỹ (2014): tác giả nghiên

cứu định vị sự cố cho đường dây truyền tải có rẽ nhánh Tuy nhiên nội dung nghiên cứu này tập trung vào trường hợp các tín hiệu đo không đầy

đủ: chỉ sử dụng điện áp từ một phía và dòng điện từ hai phía

Với sự tham khảo tới các nội dung đã được nghiên cứu trước đó, đặc biệt là

luận văn của tác giả Trần Thanh Sơn (Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa

trên phân bố điện áp từ hai đầu đường dây ( 2014): đề xuất đi sâu nghiên cứu theo

hướng sau (có mở rộng hướng nghiên cứu so với luận văn của tác giả Trần Thanh Sơn và bổ sung phương pháp giải phương trình tính vị trí sự cố không dùng bước lặp):

- Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo không đồng bộ từ hai phía của

đường dây

- Sử dụng phương pháp định vị sự cố dựa theo phân bố điện áp từ hai

đầu đường dây đến điểm sự cố

- Sơ đồ thay thế của đường dây sử dụng ba loại mô hình:

o Mô hình thông số tập trung không xét tới điện dung của đường dây

o Mô hình thông số tập trung có xét tới điện dung của đường dây

o Mô hình thông số rải

- So sánh mức độ chính xác khi sử dụng ba loại sơ đồ thay thế của đường dây Đồng thời so sánh với kết quả định vị theo các rơle bảo vệ khoảng cách để từ đó rút ra kết luận chung

Định vị sự cố với đường dây tải điện trên không

Sử dụng tín hiệu đo lường từ

một phía đường dây

Sử dụng tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây

Tín hiệu đo đồng bộ

Tín hiệu đo không đồng bộ Đường dây không rẽ nhánh

Mô hình thông tập trung

có xét đến điện dung Mô hình thông số rải

Hình 10 Đề xuất nội dung nghiên cứu của luận văn

Trong các chương tiếp theo nội dung luận văn sẽ được bố cục theo sơ đồ khối sau đây (Hình 11)

Thuật toán tính toán vị trí sự

cố theo phân bố độ lớn điện

áp từ hai phía tới điểm sự cố

Phân tích các ưu điểm

Kiểm chứng trên số liệu

mô phỏng

So sánh độ chính xác

KẾT LUẬN

Sử dụng tín hiệu đo lường

từ một phía đường dây

Sử dụng tín hiệu đo lường

từ hai phía đường dây

Nguyên lý làm việc

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác định

vị sự cố

Kiểm chứng trên số liệu

Thay đổi vị trí sự cố Thay đổi dạng sự cố Thay đổi dòng tải Thay đổi điện trở sự cố

Các mô hình thay thế đường dây khác nhau

Hình 11 Bố cục các nội dung nghiên cứu của luận văn

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ GÂY SAI SỐ ĐỐI VỚI ĐỊNH

VỊ SỰ CỐ THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA 2.1 Nguyên lý của phương pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía

2.1.1 Nguyên lý làm việc

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một phía được tích hợp trong các rơle bảo vệ khoảng cách Các rơle bảo vệ khoảng cách hoạt động theo nguyên lý tổng trở thấp (Z<) Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ được đo thông qua biến dòng điện (BI) và biến điện áp (BU) cấp tới rơle; rơle sẽ xử lý tín tín hiệu này

và thực hiện các phép tính toán để xác định tổng trở đo được trong các chế độ bình thường cũng như sự cố

Giá trị tổng trở đo được sẽ được sử dụng để xác định điểm làm việc của rơle trên mặt phẳng tổng trở, nếu điểm làm việc này thuộc vùng tác động (vùng I, vùng

II hoặc vùng III…) thì rơle sẽ khởi động các bộ đếm thời gian tương ứng Trong chế

độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động

Hình 12 Đặc tính làm việc điển hình của rơle bảo vệ khoảng cách của Siemens

Từ giá trị tổng trở tính được rơle sẽ tính toán vị trí sự cố theo công thức:

Điểm làm việc khi sự cố

Khoảng cách từ vị trí đặt rơle đến điểm sự cố được xác định dựa theo giá trị điện kháng đo được Việc sử dụng giá trị điện kháng sẽ giúp tránh được sai số định

vị do ảnh hưởng của điện trở hồ quang tại điểm sự cố

2.2 Các thuật toán tính toán tổng trở trong rơle khoảng cách

Rơle bảo vệ khoảng cách tính toán tổng trở sự cố riêng biệt cho các dạng sự cố pha-pha và sự cố pha-đất

a Thuật toán tính toán tổng trở sự cố cho các dạng sự cố pha – pha

Hình 13 Mạch tính toán cho sự cố pha – pha

Trong đó ZL=RL+jXL là tổng trở của của đường dây tính đến điểm sự cố;

E

b Thuật toán tính toán tổng trở sự cố cho các dạng sự cố pha – đất

Hình 14 Mạch tính toán cho sự cố pha – đất

Viết phương trình Kieckhop cho điện áp trong mạch sự cố A- đất:

1 3

L

A A

Trong đó: ZL1 là tổng trở thứ tự thuận của đường dây

ZL0 là tổng trở thứ tự không của đường dây

Như vậy để tính toán đúng được giá trị tổng trở đến điểm sự cố cần đưa vào trong công thức tính toán giá trị điện áp pha sự cố; dòng điện pha sự cố

Xây dựng phương trình tính toán tổng trở một cách tương tự cho các trường hợp sự cố pha – đất khác:

Bảng 2 Tổng kết về mạch tính toán cho sự cố pha- đất

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến là:

- Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố

- Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ do các đường dây chạy song song gây

ra

- Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

2.3.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố

Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng điện Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện trở hồ quang này cũng nằm trong mạch tính tổng trở sự cố pha - đất Một số trường hợp sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố

Trong trường hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lưới điện Khi sự

cố các pha với nhau điện trở sự cố thường nhỏ và không vượt quá vài ohm () Tuy nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất của cột có thể tới 10  thậm chí cao hơn.Trường hợp đặc biệt điện trở sự cố còn lớn hơn khi sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất khô cứng Như vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm

Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố đến tổng trở đo được

Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp như Error! eference source not found

Hình 15 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp

Mạch vòng sự cố nhìn từ phía thanh góp trạm A có thể được mô tả bằng công thức sau đây

Trong đó:

d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)

U A ; I A: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A

I F:dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, với quan hệ

- Nếu dòng điện I A và I B lệch pha nhau: thì thành phần tuong duong

F

R thể hiện như một tổng trở bao gồm thành phần điện trở và điện kháng hoặc thành phần điện trở và

điện dung (tùy theo dòng I B là sớm pha hơn hay chậm pha hơn so với I A trong công thức [2.11] Thành phần #

F

R khi đó sẽ ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng trong tổng trở mà rơle đo được, và do đó khoảng cách tính toán được sẽ bị sai khác so với thực tế

Hình 16 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được

Trong đó:

a Điện trở tại điểm sự cố thể hiện thuần trở

b Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện dung làm giảm điện kháng đo được

c Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện kháng làm tăng điện kháng đo được

2.3.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố

Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố, một cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây trong chế độ vận hành bình thường Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế

độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố Trong trường hợp đường dây chỉ có một nguồn cấp thì ảnh hưởng này là không cần tính đến

2.3.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song

Trong lưới truyền tải điện hầu hết các đường dây vận hành đều song song và

đi chung cột Các đường dây này có ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, ảnh hưởng này

sẽ là đáng kể trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không (TTK) chạy trên đường dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đường dây bị

sự cố làm cho giá trị đo được của rơle tổng trở tại đường dây sự cố bị sai lệch

R

jX

Z đường dây

F Điện

R

jX

Z đường dây

F Điện

kháng

sự cố thực tế

R

jX

Z đường dây

F Điện kháng

sự cố thực tế

sự cố đo được

Điện kháng

sự cố thực tế

Điện

kháng

sự cố đo

được

Hình 17 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song

Trong đó:

V01: điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố

Z01: tổng trở TTK của đường dây bị sự cố

Z0M: tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây

I01, I02: dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận Thông thường sự ảnh hưởng tổng trở tương hỗ của các thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch là rất ít chiếm khoảng từ 5% đến 7% và có thể bỏ qua.Trong khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng 50% đến 70% Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một đường dây có thể là:

0127 , 1 1101 , 0

5323 , 0 06874 , 0

Để rơle có thể làm việc đúng cần bù lại sự thay đổi về điện kháng TTK do các đường dây lân cận gây ra Các rơle hiện nay thực hiện việc này bằng cách lấy dòng TTK từ điện dây lân cận đưa vào trong rơle và rơle sẽ có thuật toán để bù lại thành phần hỗ cảm TTK này Tuy nhiên, việc này chỉ thực hiện được khi hai đường dây đi

ra từ cùng một trạm biến áp, trong trường hợp hai đường dây thuộc hai trạm riêng biệt thì rất khó để thực hiện giải pháp này

2.3.4 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tính chính xác của rơ le bảo vệ khoảng cách được minh họa dưới hình 18 như sau:

Hình 18 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện

Khi dòng điện tại điểm sự cố và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle khác nhau thì sẽ dẫn đến tổng sự cố rơle tính được không đúng với giá trị tổng trở cần xác định

Đối với sơ đồ hình 18 (a) sự xuất hiện của đường dây vận hành song song cấp dòng tới điểm ngắn mạch, kết quả sẽ làm cho rơle tính được giá trị tổng trở lớn hơn tổng trở cần xác định.Trường hợp trong sơ đồ hình 18 (b) có sự xuất hiện của đường dây vận hành song song với đường dây bị sự cố làm rẽ mạch dòng điện từ nguồn điện đến chỗ ngắn mạch, như vậy rơle sẽ đo được giá trị nhỏ hơn giá trị tổng trở thực tế

Với những lưới điện có cấu hình phức tạp hệ số phân bố dòng điện có thể thay đổi theo chế độ làm việc của lưới điện Khi điểm ngắn mạch càng nằm xa điểm đặt rơ le bảo vệ thì ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện càng lớn

CHƯƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG KHÔNG

ĐỒNG BỘ TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 3.1 Nguyên lý chung của định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây

3.1.1 Cơ sở tính toán của phương pháp

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp định vị được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách Nguyên lý định vị theo phương pháp này như sau:

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây

Hình 19 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Dòng điện và điện áp {U A & I A }, {U B &I B} đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian với nhau

Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB

Trừ hai phương trình cho nhau: