Phân tích và mô phỏng các phương pháp đồng bộ tín hiệu đo lường tại

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây thể hiện có nhiều ưu việt hơn hẳn so với phương pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía.. Có nhiều thuật toá

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tổng quan về định vị sự cố trên đường dây tải điện 1

1.2 Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một đầu đường dây 2

1.2.1 Nguyên lý làm việc 3

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác 6

1.2.1 Nhận xét ưu, nhược điểm 11

1.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía 122

1.3.1 Định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây 122

1.3.2 Nhận xét ưu, nhược điểm 13

1.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền 14

1.4.1 Nguyên lý định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền 14

1.4.2 Nhận xét ưu, nhược điểm 15

1.5 Tổng kết và đề xuất hướng nghiên cứu 16

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG THU ĐƯỢC TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 17

2.1 Khái niệm góc đồng bộ khi xử lý tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây 17

2.1.1 Sự cần thiết phải đồng bộ tín hiệu đo lường 17

2.1.2 Khái niệm về góc đồng bộ 17

2.2 Các phương pháp đồng bộ tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây 20

2.2.1 Giới thiệu chung về các phương pháp đồng bộ tín hiệu 20

2.2.2 Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường đầy đủ tại hai đầu đường dây – Thông tin trước sự cố 22

2.2.3 Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường không đầy đủ tại hai đầu đường dây – Thiếu tín hiệu dòng điện từ một phía 24

2.2.4 Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường không đầy đủ tại hai đầu đường dây – Thiếu tín hiệu điện áp từ một phía 25

2.2.5 Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường trong khi sự cố 26

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 29

3.1 Công cụ sử dụng và thông số mô hình trong mô phỏng 29

3.1.1 Công cụ sử dụng 29

3.1.2 Thông số của sơ đồ mô phỏng 32

3.2 Kịch bản mô phỏng và chuẩn bị số liệu 34

3.2.1 Kịch bản mô phỏng 34

3.2.2 Sơ đồ khối của thuật toán tính toán 36

3.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét 37

3.3.1 Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trước sự cố 38

3.3.2 Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trong khi sự cố 40

3.3.3 Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trong khi sự cố - Sử dụng tín hiệu dòng điện và điện áp chưa ổn định 41

3.3.4 Nhận xét chung 433

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 44

4.1 Kết luận 44

4.2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 47

Lập trình Matlab tính toán đồng bộ tín hiệu theo các thuật toán khác nhau 47

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Nội dung luận văn có trích dẫn và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

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

Tác giả

Vũ Văn Khuyến

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - pha 4

Hình 2 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - đất 5

Hình 3 Đặc tính tác động của rơle bảo vệ khoảng cách 7SA6x của hãng Siemens 5

Hình 4 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp 7

Hình 5 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được 8

Hình 6 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song 9

Hình 7 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến sự làm việc của bảo vệ 10

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý của đường dây hai nguồn cấp bị sự cố 12

Hình 9 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 12

Hình 10 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện sự cố trên đường dây 15

Hình 11 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu 17

Hình 12 Trường hợp tín hiệu đo lường được đồng bộ 18

Hình 13 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ 18

Hình 14 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và tính toán đồng bộ dữ liệu 20

Hình 15 Dạng sóng dòng điện ghi nhận được bởi các rơle thực tế 21

Hình 16 Các phương pháp tính toán góc đồng bộ 22

Hình 17 Sơ đồ thay thế hình π của đường dây sử dụng thông số rải 23

Hình 18 Dạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa 25

Hình 19 Đường dây hai nguồn cấp bị sự cố trên đường dây 27

Hình 20 Sơ đồ thông số rải thay thế của đường dây khi bị sự cố 27

Hình 21 Sơ đồ khối về việc kết hợp các công cụ phần mềm 29

Hình 22 Giao diện của phần mềm PSCAD 30

Hình 23 Giao diện chính của Matlab 32

Hình 24 Giao diện của cửa sổ soạn thảo các lệnh 32

Hình 25 Sơ đồ mô phỏng đường dây hai nguồn cấp trong PSCAD 33

Hình 26 Dạng sóng điện áp từ hai đầu S và R thu được trước và trong khi sự cố 35

Hình 27 Dạng sóng dòng điện thu được từ đầu S và R trước và trong khi sự cố 35

Hình 28 Dữ liệu sau khi chuyển sang file Excel 35

Hình 29 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 1 mẫu 36

Hình 30 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 2 mẫu 36

Hình 31 Sơ đồ thuật toán tính toán trong Matlab 37

Hình 32 Mức độ ổn định của tín hiệu dòng điện trước và trong sự cố 38

Hình 33 Tính toán góc đồng bộ - Đầy đủ tín hiệu U & I 38

Hình 34 Tính toán góc đồng bộ - Thiếu dòng điện một phía 39

Hình 35 Tính toán góc đồng bộ - Thiếu điện áp một phía 39

Hình 36 Tính toán góc đồng bộ - Thông tin trong khi sự cố 40

Hình 37 Dòng điện sự cố trong giai đoạn chưa ổn định 41

Hình 38 Tính toán góc đồng bộ với thông tin trong khi sự cố chưa ổn định 41

Hình 39 Vị trí sự cố theo tính toán 42

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Các mạch vòng tính toán tổng trở của rơle khoảng cách 3

MỞ ĐẦU

Xác định chính xác vị trí sự cố của đường dây trên không phục vụ kiểm tra sửa chữa là hết sức quan trọng đối với nhân viên vận hành cũng như nhân viên hệ thống trong khắc phục sự cố 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 là duy trì, thì 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 các 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 và 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

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây 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

Kết quả nghiên cứu được mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đường dây 500kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 4 chương

 Chương 1: Giới thiệu chung về vai trò quan trọng của việc cần nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố, đặc biệt đối với lưới điện truyền tải Mô tả sơ lược về ưu, nhược điểm của các các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải Trong đó chú trọng đến phương pháp định vị dựa theo tín hiệu

đo lường từ hai phía và nêu ra sự cần thiết phải tính toán đồng bộ tín hiệu đo

 Chương 2: Phân tích chi tiết các phương pháp tính toán đồng bộ lại tín hiệu

đo lường từ hai đầu đường dây Các phương pháp đồng bộ lại tín hiệu này có thể sử dụng các dữ liệu ghi nhận trước sự cố hoặc dữ liệu ghi nhận trong khi

sự cố Tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây có thể là đầy đủ hoặc không đầy đủ tùy theo từng phương pháp

 Chương 3: Mô phỏng các thuật toán đồng bộ lại tín hiệu đo lường từ hai phía Mô hình được sử dụng là đường dây 500kV, do số lượng các sự cố một pha chiếm phần lớn nên phần mô phỏng sẽ sử dụng dữ liệu của các sự cố một pha được tạo ra Các thông số liên quan đến sự cố như điện trở sự cố, dòng tải trước sự cố, vị trí sự cố sẽ được thay đổi để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán Phần mềm PSCAD được sử dụng để mô phỏng trong luận văn, các tính toán xử lý tín hiệu được thực hiện bằng Matlab

 Chương 4: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan về định vị sự cố trên đường dây tải điện

Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện mang một ý nghĩa rất quan trọng trong quản lý vận hành 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

- Sự cố thoáng qua có thể không gây thiệt hại nghiêm trọng, có thể được khắc phục thông qua tự động đóng lại Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng điểm bị hư hỏng sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố tiếp theo có thể xảy ra

- Với những sự cố vĩnh cửu, việc không tìm ra chính xác điểm sự cố để khắc phục nó mang lại rất nhiều điều phức tạp, hao tốn nhân lực, tốn kém tài chính, và quan trọng nhất là ngừng cung cấp điện một thời gian dài, có thể gây mất điện trong một khu vực rộng

Định vị sự cố có thể được thực hiện thông qua nhiều thiết bị hoặc phương pháp khác nhau như:

- Là một chức năng tích hợp sẵn trong các rơle kỹ thuật số như rơle bảo vệ khoảng cách hoặc rơle bảo vệ so lệch dọc đường dây

- Là một chức năng tích hợp sẵn trong các bộ ghi sự cố được lắp đặt tại các trạm biến áp truyền tải

- Sử dụng các bộ định vị sự cố chuyên dụng, riêng biệt

- Sử dụng máy tính cá nhân với phần mềm xử lý thông tin thu thập được sau khi sự cố đã xảy ra (Post – fault analysis)

Giải pháp định vị sự cố bằng các rơle hoặc bộ ghi sự cố thường chi phí rẻ hơn do các thiết bị được lắp đặt cho nhiều mục đích, sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn, tuy nhiên độ chính xác của các phương pháp này không cao Phương pháp sử dụng thiết

bị định vị sự cố riêng biệt như loại làm việc dựa trên nguyên lý sóng lan truyền có

độ chính xác cao hơn, tuy nhiên giá thành cho các loại thiết bị này là rất cao

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

Hiện nay các đường dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thường được trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đường dây [1] Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách báo vị trí với một mức sai số tương đối lớn (có thể tới hàng chục km) Điều này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa vào tín hiệu đo lường tại chỗ, do đó chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài [2]

Có nhiều thuật toán định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, sơ lược có thể liệt kê các phương pháp định vị sau đây:

o Định vị sự cố dựa theo tín hiệu tần số cơ bản 50Hz: phương pháp này có thể chia nhỏ ra thành hai nhánh chính như sau

o Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây: đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, và được tích hợp trong các rơle bảo vệ khoảng cách hiện có

o Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây hoặc tín hiệu đo lường từ ba phía khi đường dây có rẽ nhánh

o Định vị sự cố dựa theo tín hiệu tần số cao: đây là phương pháp dựa trên hiện tượng sóng lan truyền (travelling wave) đối với mô hình đường dây sử dụng thông số rải

1.2 Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một đầu đường dây

Phương pháp này chính là thuật toán được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách thông dụng [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:

1

( ) do sc

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

Các mạch vòng được sử dụng để tính toán tổng trở trong rơle như sau:

Tổng trở được rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tương ứng với các sự cố pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C - E Với sự cố pha - pha hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lường chính xác (tổng trở thấp nhất), các mạch vòng khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn Với

sự cố khác có thể nhiều mạch vòng đo cùng cho ra kết quả chính xác

Bảng 1: Các mạch vòng tính toán tổng trở của rơle khoảng cách

Loại sự cố Pha sự cố Vòng lặp tính cho tổng trở

Sự cố 3 pha hay 3 pha – đất A – B – C (E) A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc

A-E hoặc B-E hoặc C-E

Sự cố 2 pha – đất

A – B - E A-B hoặc A-E hoặc B-E

B – C - E B-C hoặc B-E hoặc C-E

C – A - E C-A hoặc C-E hoặc A-E

 Mạch vòng tính toán cho trường hợp sự cố pha – pha

Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – pha được tính theo công thức:

21

f phaY

phaX

phaY phaX

pha pha

pha pha pha

pha

R Z I

I

U U

Hình 1 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - pha

 Mạch vòng tính toán cho trường hợp sự cố pha – đất

Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – đất được tính theo công thức

f N phaX

phaX E

N phaX

phaX E

pha

K

R Z I K I

U Z

Z Z Z

Z0 là tổng trở thứ tự không của đường dây

Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất được thể hiện trong Hình 2

Hình 2 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - đất

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 3) [4]

Hình 3 Đặc tính tác động của rơle bảo vệ khoảng cách 7SA6x của hãng Siemens

Dựa theo giá trị điện kháng đo được, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố của phương pháp đo lường từ một phía 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

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 vòng đo 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 Hình 4

Hình 4 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp

Điện áp tại thanh góp trạm A có thể được tính theo:

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

I

trong đó: Z A là tổng trở đo được bởi rơle đầu phía trạm A

Thay thế I F = I A + I B vào phương trình [1.7] ta có

thuộc vào điện trở tại điểm sự cố Tùy theo góc lệch pha của dòng điện hai phía I A

& I B mà phần tổng trở kèm thêm này có thể thay đổi Chi tiết như sau:

 Nếu dòng điện I A và I B trùng pha nhau hoàn toàn  giá trị K trong công

trở đo được sẽ bị sai khác với điện trở của phần đường dây bị sự cố do đã cộng thêm thành phần này, trong khi đó thành phần điện kháng không bị ảnh hưởng Do

đó khoảng cách đo được sẽ đúng với khoảng cách sự cố thực tế (vì phép xác định khoảng cách chỉ dựa theo thành phần điện kháng theo công thức 1.4)

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 [1.8] Thành phần K*R F 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 5 thể hiện chi tiết quan hệ này

Hình 5 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

c Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện kháng

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

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

Hình 6 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song

Trong đó:

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:

0127,11101,0

5323,006874,0

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 đường 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

Việc xác định chính xác thành phần tổng trở tương hỗ TTK còn gặp nhiều khó khăn

do có trường hợp các đường dây chỉ đi song song một phần hoặc đường dây song song đang cắt khỏi vận hành và nối đất hai đầu…

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 7 như sau:

Hình 7 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến sự làm việc của bảo vệ

Xét hai trường hợp tiêu biểu như trên Hình 7 ta thấy tổng trở của rơ le bảo vệ khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch xảy ra ở điểm

N trên đường dây BD tiếp theo (bằng giả thiết tỷ số biến đổi của biến dòng điện và biến điện áp ki = ku = 1)

AB

BN i I

I

K  hệ số phân bố dòng điện

Khi hệ số phân bố dòng điện Ki ≠ 1, tổng trở ZR mà rơ le bảo vệ khoảng cách

đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch

Hệ thống D

Hệ thống A

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

1.2.1 Nhận xét ưu, nhược điểm

Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một đầu được tóm tắt như sau:

Ưu điểm của phương pháp này:

- Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được thu thập tại chỗ, không yêu cầu truyền tín hiệu từ đầu đối diện

- Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập được của các rơle tại các đầu

- Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha - pha (theo thực tế vận hành)

Nhược điểm của phương pháp này:

- Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố:

o Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

o Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

o Ảnh hưởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện

đo được tại vị trí đặt rơle)

o Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song gây ra

o Tổng trở thứ tự không của đường dây thường không thể xác định được chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất

- Thực tế vận hành cho thấy phương pháp định vị này kém tin cậy, sai số có thể lên tới hàng chục km

1.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía

1.3.1 Định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây

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

AB như trong Hình 8

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý của đường dây hai nguồn cấp bị sự cố

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 9

Hình 9 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố Giả thiết dòng điện và điện áp {I A & I B }, {U A & U B} đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian

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:

I A

B

UB

Phương trình trên có thể áp dụng cho mọi trường hợp sự cố Tuy nhiên, tùy theo dạng sự cố mà lựa chọn tổ hợp dòng điện và điện áp thích hợp Ví dụ, với sự

cố chạm đất một pha thì điện áp sử dụng là của pha A, tuy nhiên dòng điện đưa vào tính toán cần phải bù thành phần thứ tự không Trong thực tế, rất khó xác định đúng điện kháng thứ tự không của đường dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng thứ tự không sẽ không chính xác và có thể gây sai số cho phép định vị

Để tránh trường hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch [5] (tính toán dựa trên thành phần thứ tự nghịch chỉ áp dụng được với các sự cố không đối xứng)

Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây có ưu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:

o Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn

o Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán tổng trở

sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định vị sự

cố

o Trong thực tế còn nhiều biến thể của phương pháp này, tùy theo tín hiệu đo lường có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đường dây hay không…

1.3.2 Nhận xét ưu, nhược điểm

Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây như sau:

Ưu điểm của phương pháp này:

- Độ chính xác được cải thiện đáng kể do thuật toán đã loại trừ được nhiều yếu

tố như điện trở tại điểm sự cố, tổng trở thứ tự không của đường dây, hỗ cảm của đường dây lân cận

- Không cần đầu tư thêm các thiết bị chuyên dụng: các rơle kỹ thuật số hiện nay đều có chức năng ghi và lưu trữ các bản ghi sự cố, hoặc thậm chí rất nhiều trạm đã được trang bị các bộ ghi sự cố chuyên dụng Đây là các cơ sở

dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác xử lý tín hiệu, định vị sau sự cố

Nhược điểm của phương pháp này:

- Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải điện Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải được đồng bộ về mặt thời gian Với các trạm có trang bị hệ thống đồng hồ dựa theo tín hiệu GPS thì việc đồng bộ về mặt thời gian đã được giải quyết, tuy nhiên với hiện trạng tại Việt Nam thì số lượng trạm được trang bị đồng hồ GPS chưa nhiều nên phương pháp này sẽ gặp nhiều trở ngại

- Cần có giải pháp đồng bộ lại tín hiệu khi các trạm không được trang bị

đồng hồ GPS: giải pháp đồng bộ lại tín hiệu đo lường sẽ được đề xuất và

phân tích chi tiết trong các phần sau của luận văn

1.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền

1.4.1 Nguyên lý định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền

Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến

về dòng điện và điện áp Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên đường dây cả về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng

Khi sóng lan truyền đi tới một đầu đường dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó một phần của sóng này sẽ phản xạ trở lại và một phần tiếp tục lan truyền đi tiếp

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên Hình 1010 Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) hoàn toàn có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

*2

Hình 10 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện sự cố trên đường dây

1.4.2 Nhận xét ưu, nhược điểm

Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu sóng lan truyền như sau:

Ưu điểm của phương pháp này:

- Độ chính xác đạt được cao nhất tính tới giai đoạn hiện nay so với các phương pháp khác Một số bộ định vị sự cố sử dụng nguyên lý này đã được lắp đặt tại Việt Nam, các báo cáo cho thấy sau vài lần hiệu chỉnh thì sai số khoảng cách định vị chỉ trong phạm vi nhỏ hơn một khoảng cột (từ 200m đến 500m)

Nhược điểm của phương pháp này:

- 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 dẫn tới cần tốc độ xử lý cao và bộ nhớ phải có dung lượng lớn

B

A

Thời gian (µs)

Sự cố Ghi nhận tín hiệu tới đầu A lần 1

Ghi nhận tín hiệu tới đầu B lần 1

Δt

- 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

- Các cảm biến đo dòng điện phải là loại được thiết kế để có khả năng hoạt động chính xác ở tần số cao

- Chi phí đầu tư ban đầu lớn, giai đoạn hiệu chỉnh phải mời chuyên gia sang làm việc nhiều lần

1.5 Tổng kết và đề xuất hướng nghiên cứu

Các phương pháp định vị sự cố thông dụng đã được giới thiệu trong chương này, tất cả các phương pháp này đều thể hiện ưu điểm và nhược điểm riêng

Trên cơ sở tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có và vẫn nâng cao được độ chính xác trong định vị sự cố, luận văn đề xuất đi nghiên cứu áp phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía Trở ngại lớn nhất đối với phương án này là việc đồng bộ lại các tín hiệu đo lường từ hai phía khi các rơle không được trang bị

đồng hồ GPS Do đó, phần nội dung nghiên cứu chính của luận văn trong các

chương tiếp theo sẽ là các phương pháp đồng bộ lại tín hiệu đo lường thu được từ các rơle hay thiết bị ghi sự cố ở hai phía của đường dây

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG

THU ĐƯỢC TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 2.1 Khái niệm góc đồng bộ khi xử lý tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây

2.1.1 Sự cần thiết phải đồng bộ tín hiệu đo lường

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây đã được trình bày sơ lược tại mục 1.3

Thuật toán được nêu ra dựa trên giả thiết tín hiệu đo lường được đồng bộ hoàn toàn về mặt thời gian Việc đồng bộ về mặt thời gian giữa các trạm biến áp tại hai đầu đường dây và các trạm khác thường được giải quyết bằng cách lắp đặt các đồng hồ hoạt động dựa theo tín hiệu vệ tinh GPS (đồng hồ GPS) Tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam thì việc lắp đặt các đồng hồ này chưa thực sự phổ biến, do đó khả năng để thu được tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây là rất khó Để giải quyết vấn đề, luận văn đi sâu nghiên cứu phương pháp được sử dụng để đồng

bộ lại các tín hiệu đo lường này

2.1.2 Khái niệm về góc đồng bộ

Xét ví dụ một đường dây truyền tải điện được trang bị các rơle bảo vệ tại hai đầu như trong Hình 11

Hình 11 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu

Rơle A và rơle B đều có các đồng hồ nội bộ trong bản thân rơle Tín hiệu dòng điện hoặc điện áp ở mỗi đầu sẽ được các rơle lấy mẫu và gắn cho mỗi mẫu tín

hiệu này một giá trị mã thời gian tương ứng, mã thời gian này dựa theo đồng hồ nội

bộ của rơle

Trong trường hợp đồng hồ của hai rơle giống hệt nhau (được đồng bộ thời gian) thì các mẫu tín hiệu được coi là đồng bộ Ví dụ để tính toán độ lệch điện áp tức thời giữa hai đầu đường dây A và B thì có thể tính toán theo từng cặp mẫu (Hình 12): giá trị của mẫu 1 từ đầu A có thể trừ trực tiếp cho giá trị mẫu 1 tại đầu B

vì hai giá trị này được lấy mẫu tại thời điểm trùng nhau

Hình 12 Trường hợp tín hiệu đo lường được đồng bộ

Tuy nhiên trong trường hợp đồng hồ của rơle A và rơle B không đồng bộ như lược đồ Hình 13 thể hiện:

Hình 13 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ

Trong trường hợp này, đồng hồ của hai rơle đang lệch nhau (sai số so với nhau) về mặt thời gian là bằng một mẫu Vậy để đồng bộ lại tín hiệu giữa rơle A và rơle B thì

có thể:

- Hoặc dịch tín hiệu của rơle B lên một mẫu

- Hoặc dịch tín hiệu của rơle A xuống một mẫu

Giả thiết khoảng thời gian sai số của đồng hồ hai phía là Δt như trong Hình 13,

khoảng thời gian này hoàn toàn có thể qui đổi về góc vì một chu kỳ của dòng điện tần số 50Hz là 20ms tương đương với 3600 Vậy nếu giả thiết các mẫu ở hai phía cần dịch một khoảng thời gian Δt thì cũng tương với việc dịch một góc là:

Góc δ là góc mà các tín hiệu đo được từ hai phía cần dịch đi để đảm bảo đồng bộ

với nhau, và qui ước gọi là góc đồng bộ δ

Diễn tả về mặt toán học được thể hiện thông qua ví dụ sau đây:

Các giá trị dòng điện và điện áp đo được tại hai đầu A và B không đồng bộ với nhau, giả thiết tín hiệu giữa hai đầu này đang bị lệch nhau một khoảng thời gian

và không phải là góc lệch của chế độ vận hành) Chi tiết như sau:

 Trường hợp tín hiệu đo lường được đồng bộ:

o Giá trị của điện áp đầu A là V AV A

o Giá trị của điện áp đầu B là V B V B 

 Trường hợp tín hiệu đo lường không đồng bộ, có thể coi tín hiệu phía đầu A cần dịch pha đi một góc  so với tín hiệu gốc để đảm bảo đồng bộ với tín hiệu đo từ B

o Giá trị của điện áp đầu A là V AV A  hay có thể viết

Như vậy,  là góc cần thiết để đồng bộ hóa tín hiệu giữa hai đầu, trường hợp tín hiệu đo đồng bộ có thể coi là ứng với  = 0

2.2 Các phương pháp đồng bộ tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây

2.2.1 Giới thiệu chung về các phương pháp đồng bộ tín hiệu

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thu thập và định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai phía thể hiện trên Hình 14:

Hình 14 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và tính toán đồng bộ dữ liệu

Dựa theo phân tích trong mục 2.1.2, tín hiệu đo lường được dùng trong các tính toán tìm góc đồng bộ sẽ được ký hiệu như sau:

- Điện áp và dòng điện thu được tại đầu S là {V S & I S}

- Điện áp và dòng điện thu được tại đầu R là {VS & IS}, tuy nhiên do việc

đo lường là không đồng bộ, nên các tín hiệu này cần dịch đi một góc đồng bộ , do đó sẽ được biểu diễn {V R *e j & V R *e j} Với qui ước này, tín hiệu tại đầu S được coi làm chuẩn, tín hiệu tại đầu R sẽ dịch góc để đảm bảo đồng bộ

Thông thường, các tín hiệu dòng điện và điện áp được sử dụng trong các tính toán định vị sự cố và tính góc đồng bộ là tín hiệu dòng và áp thứ tự thuận (TTT) hoặc thứ tự nghịch (TTN) do tổng trở thứ tự thuận, thứ tự nghịch của đường dây là giống nhau và có thể tính toán được khá chính xác Các thành phần thứ tự không (TTK)

x (1-x) F

BU BU

V R

V S

thường không được sử dụng do tổng trở thứ tự không phụ thuộc nhiều yếu tố và rất khó để xác định chính xác

Dòng điện hoặc điện áp thứ tự thuận có thể được tính toán từ các đại lượng 3 pha theo công thức sau:

Trong đó ae j23 là toán tử quay

Sự cần thiết phải đồng bộ tín hiệu đo lường từ hai phía của đường dây đã được trình bày tại mục 1.3 Một cách tổng quát, các phương pháp đồng bộ tín hiệu này có thể chia ra hai nhóm chính:

- Tính toán góc đồng bộ dựa trên tín hiệu dòng và áp trước sự cố [6]: phương

pháp này thường cho kết quả chính xác hơn do các tín hiệu dòng và áp trước

sự cố ổn định, ít có các nhiễu loạn (Hình 15) Tuy nhiên sau khi tính toán được góc đồng bộ sẽ cần thêm bước tiếp theo là tìm vị trí sự cố

Hình 15 Dạng sóng dòng điện ghi nhận được bởi các rơle thực tế

Trong phương pháp này có thể chia nhỏ hơn thành các nhóm:

 Tính toán góc đồng bộ khi có đủ tín hiệu dòng điện và điện áp từ các phía

 Tính toán góc đồng bộ khi có thiếu dòng điện từ một phía

 Tính toán góc đồng bộ khi có thiếu điện áp từ một phía

- Tính toán góc đồng bộ dựa trên tín hiệu dòng và áp trong khi sự cố (Hình

15): phương pháp này được đề xuất sử dụng trong nhiều nghiên cứu [2] Tuy

Thông tin trong khi sự cố Thông tin

trước sự cố

nhiên có thể nhận thấy rằng các giá trị dòng điện và điện áp trong quá trình

sự cố có nhiều biến động quá độ nên nếu sử dụng để tính toán có thể mắc phải các sai số nhất định Một giải pháp để tránh các sai số do quá độ dòng

và áp khi sự cố là chọn các phần mà tín hiệu ổn định nhất Phương pháp này

có ưu điểm là có thể kết hợp đồng thời vừa tính toán đồng bộ tín hiệu vừa tìm được vị trí sự cố

Sơ đồ giới thiệu tổng quát các phương án tính toán trong luận văn được thể hiện trên Hình 16

Hình 16 Các phương pháp tính toán góc đồng bộ

2.2.2 Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường đầy đủ tại hai đầu đường

dây – Thông tin trước sự cố

Trong bản ghi sự cố của bất cứ rơle nào cũng thể hiện đầy đủ cả thông số trước sự cố, trong khi sự cố và sau khi sự cố được loại trừ (Hình 15) Khoảng thời gian ghi tín hiệu trước sự cố có thể dài hoặc ngắn tùy theo chỉnh định của rơle, tuy nhiên do các thông số trước sự cố khá ổn định nên hoàn toàn có thể sử dụng các giá trị ghi được dù ngắn này để tính toán góc đồng bộ

Việc có đầy đủ các thông tin về dòng điện và điện áp tại hai đầu để tính toán góc đồng bộ có thể tương ứng với điều kiện thực tế là đường dây được trang bị các bảo vệ khoảng cách, các bảo vệ này luôn đo và ghi đầy đủ cả dòng và áp

Tính toán góc đồng bộ

Dựa theo tín hiệu trước sự cố

Đầy đủ tín hiệu dòng & áp hai phía

Dựa theo tín hiệu trong khi sự cố

Thiếu tín hiệu dòng điện một phía

Thiếu tín hiệu điện

Mặt khác do sử dụng thông tin trước sự cố nên có thể coi hệ thống đang ở trạng thái vận hành đối xứng, như vậy thành phần tín hiệu sử dụng sẽ là thành phần TTT của dòng điện và điện áp thay vì thành phần TTN

Thuật toán tính toán góc đồng bộ trong trường hợp này như sau:

Xét mô hình mạng hai cửa hình π thay thế của đường dây (Hình 17) sử dụng mô hình thông số rải

Hình 17 Sơ đồ thay thế hình π của đường dây sử dụng thông số rải

Trong đó:

- Z c1: Tổng trở sóng của đường dây tính từ các thông số R, L, X thứ tự thuận của đường dây

- L: chiều dài đường dây

- γ 1: hằng số truyền sóng trong mô hình thông số rải của đường dây dài

- V S1 , I S1 và V R1 , I R1: điện áp và dòng điện thứ tự thuận (TTT) đo được tại hai đầu đường dây Trong sơ đồ này qui ước tín hiệu phía đầu R được chọn làm chuẩn và tín hiệu đầu S phải đươc dịch chuyển góc lại để đồng bộ với đầu R

toán được dễ dàng hơn Theo sơ đồ Hình 15 ta có quan hệ như sau: