Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu sóng lan truyền trên đường dây để định vị sự cố ngắn mạch

Các sự cố đòi hỏi phải được cô lập càng nhanh càng tốt để đảm bảo sự ổn định của hệ thống và hạn chế các tác hại của dòng ngắn mạch, của hồ quang tại điểm sự cố… Song song với quá trình

-

NGUYỄN BÁ VĂN TRƯỜNG

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY

ĐỂ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Đường dây truyền tải điện là một trong những khâu rất quan trọng trong việc đảm bảo sự liên lạc giữa các nguồn điện và các hộ tiêu thụ điện Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh về số lượng các đường dây truyền tải ở các cấp điện áp cũng như tổng chiều dài của toàn hệ thống Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên đường dây, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố Sự cố trên đường dây có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào, tại bất cứ vị trí nào và do nhiều lý do gây nên Các sự cố đòi hỏi phải được cô lập càng nhanh càng tốt để đảm bảo sự ổn định của hệ thống và hạn chế các tác hại của dòng ngắn mạch, của hồ quang tại điểm sự cố… Song song với quá trình cô lập sự cố thì việc xác định chính xác vị trí điểm sự

cố là rất quan trọng, nó 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 Như vậy quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác vị trí sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của

hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ Đề tài nghiên cứu định vị sóng lan truyền trên đường dây tải điện là đề tài mang tính cấp thiết và quan trọng với mong muốn áp dụng vào thực tế nhằm giúp con người định vị chính xác điểm sự cố làm giảm thời gian tìm kiếm cũng như nhân công trực tiếp

2 Lý do chọn đề tài

Có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định điểm sự cố, tùytheo 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 sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên đường dây Tuy nhiên các rơle khoảng cách vẫn có 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

Xuất phát từ thực tế đó và với mong muốn được tìm hiểu và nghiên cứu để tìm

ra giải pháp tốt hơn cho nhiệm vụ phát hiện sự cố trên đường dây, được sự giúp đỡ

và quan tâm tận tình của Thầy giáo PGS TSKH Trần Hoài Linh em đã chọn và nhận Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ với đề tài “Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu

sóng lan truyền trên đường dây để định vị sự cố ngắn mạch”

3 Mục tiêu nghiên cứu

Rơ-le khoảng cách với các thuật toán dùng tổng trở đo đầu đường dây cho phép xác định khoảng cách từ nơi đặt thiết bị bảo vệ đến vị trí xảy ra sự cố và được tính toán một cách chính xác nhất có thể Các rơle khoảng cách sẽ cung cấp thông tin về vùng xảy ra sự cố với độ chính xác nhất định về điểm xảy ra sự cố, sai số về

vị trí sự cố thay đổi tùy theo từng trường hợp cụ thể (ví dụ việc xác định vị trí sự cố

từ rơle khoảng cách có độ chính xác thống kê khoảng từ 1 đến 5%) Mặt khác, trên thực tế các đường dây truyền tải thường tương đối dài và phân bố trên các địa hình địa lý khác nhau, vì vậy sự cố có thể xảy ra vì bất cứ lý do gì cũng phải mất từ vài phút đến vài giờ để khắc phục sự cố, dẫn đến việc tìm kiếm và xử lý sự cố còn gặp rất nhiều khó khăn

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 Có thể cải thiện được độ chính xác của rơ-le tổng trở dựa trên việc sử dụng phối hợp rơ-le ở hai đầu đường dây, tuy nhiên khi đó ta cần có sự đồng bộ rất cao về mặt thời gian giữa hai thiết bị

đo Phương pháp dựa trên cơ sở phát hiện các xung điện áp và dòng điện được tạo

ra tại thời điểm sự cố cũng phải dựa trên sự so sánh về chênh lệch thời điểm sóng

lan tới hai đầu đường dây Nếu hai đồng hồ của hai thiết bị hai đầu lệch nhau 1 s(đây là sai số thường gặp của các đồng hồ GPS hay được dùng trong đồng bộ thời gian của các thiết bị hai đầu) thì sai số về vị trí sẽ là 150m Hiện nay một phương pháp mới đang được quan tâm phát triển là các giải pháp dựa trên việc phân tích sóng phản hồi khi ta chủ động phát một xung điện áp vào đầu đường dây bị sự cố,

hay còn gọi là các phương pháp TDR - Time Domain Reflectometry Ý tưởng của

phương pháp này là sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dòng điện) vào đầu đường dây bị sự cố Về lý thuyết ta có thể phát xung ngay khi đường dây đang đóng điện, tuy nhiên người ta thường dùng phương pháp này sau khi các thiết bị bảo vệ

đã tác động và cắt nguồn điện của đường dây Sau khi có xung được phát vào đường dây, ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản hồi Dựa trên việc phân tích tín hiệu phản hồi mà ta có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số của đường dây, của điểm sự cố và của tải cuối đường dây Phương pháp này có nhiều lợi điểm

so với các phương pháp tổng trở hay phát hiện xung sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không cần phải đồng bộ về thời gian Thời gian sóng phản hồi dài gấp đôi (do cần lan truyền thuận trước khi phản hồi ngược trở lại) nên sai lệch tương đối về thời gian cũng nhỏ hơn Từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp định vị điểm sự cố dựa trên giải pháp TDR này

Luận văn đề xuất việc sử dụng phần mềm Matlab và Simulink để mô phỏng tín hiệu sóng lan truyền trên đường dây, đồng thời sử dụng phương pháp wavelet để xác định các thời điểm sóng phản hồi quay trở lại đến đầu đường dây Các tham số của quá trình quá độ của tín hiệu sẽ được ước lượng bằng phương pháp bình phương cực tiểu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về giải pháp định vị sự cố từ sóng lan truyền trên đường dây tải điện và phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng bằng Matlab từ đó đánh giá chính xác khả năng phát triển của đề tài

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng một số trường hợp sự cố ngắn mạch với các thông số khác nhau của tải trên đường dây truyền tải điện để tạo dữ liệu mẫu cho quá trình nghiên cứu

Lập trình các thuật toán phân tích và xử lý tín hiệu bằng các công cụ mạnh như Wavelet, để xây dựng mô hình xác định vị trí sự cố, điện trở sự cố và thông sổ tải cuối đường dây truyền tải

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Sử dụng mô hình Matlab – Simulink để thử nghiệm một phương pháp tương đối mới và chính xác hơn trong việc xác định sự cố trên đường dây tải điện

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Bài toán xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện có ứng dụng thực

tế rất rộng rãi Phương pháp mới của luận án sẽ góp phần bổ sung số lượng các giải pháp để tạo điều kiện cho việc lựa chọn ứng dụng thực tế được dễ dàng hơn Phương pháp chỉ yêu cầu sử dụng các tín hiệu dòng điện và điện áp đo lường được

ở đầu đường dây truyền tải điện, nên các khâu đo lường và thu thập số liệu cũng khá đơn giản, tính kinh tế cao

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Trong chương này sẽ trình bày về nhiệm vụ định vị sự cố trên đường dây tải điện, ý nghĩa và một số phương pháp cơ bản Đồng thời sẽ trình bày về phương pháp xử lý tín hiệu sóng lan truyền để xác định vị trí và các thông số của sự cố và tải

1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm 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 Thực tế trong vận hành, đa số các đường dây truyền tải thường đi qua những khu vực ít dân cư hoặc đồi núi cao hiểm trở Định vị

sự cố giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua và 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 lớn

 Việc xác định nhanh chóng, chính xác điểm sự cố sẽ giảm thiểu đượcthời gian, công sức cũng như giảm thiểu tối đa thiệt hại do mất điện gây ra đối với những phụ tải quan trọng

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, 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 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) Do đó các phương pháp mới để định vị sự

cố trên đường dây truyền tải hiện vẫn đang là đề tài được quan tâm nghiên cứu và phát triển

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày càng có nhiều phương pháp 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 đuờng dây, sơ lược có thể thấy có các phương pháp định vị sau đây:

 Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây

 Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây

 Định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền (travelling wave)

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

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ khoảng cách

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 1.2)

Hình 1.2 Đặc tính tác động loại MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ

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:

dụng để tính toán khoảng cách được thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trước thời điểm cắt máy cắt để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị

Ưu và nhược 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 vị trí khác

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

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

- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố

- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây

- 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)

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

- 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 (đây lại là loại sự cố thường xảy ra đối với lưới truyền tải và hệ thống điện nói chung)

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ dựa trên tín hiệu tổng trở từ một phía

a) 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

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 Điện trở hồ quang phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau:

b) 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

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

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

1.4.1 Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu hai đầu:

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

AB như trong Hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như trên Hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Các dòng điện IA, IB và các điện áp UA, UB\ đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian:

Trừ hai phương trình cho nhau:

U U I Z  x Z  I I (1.6) Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên:

cố chạm đất một pha (N(1)) 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 tín 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 (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:

 Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn

 Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán khoảng cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định vị sự cố

 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…

1.5 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự

cố

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 1.5 Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t)

có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

2

l c t

x   

(1.8) trong đó: x - khoảng cách đến điểm sự cố; l - tổng chiều dài đường dây; c - vận tốc ánh sáng

Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Đặc 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

 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

1.6 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường dây

Để giảm mức độ phụ thuộc vào việc đồng bộ thời gian các thiết bị đo trong hệ thống, hiện nay một phương pháp mới đang được quan tâm phát triển là các giải pháp dựa trên việc phân tích sóng phản hồi khi ta chủ động phát một xung điện áp

vào đầu đường dây bị sự cố, hay còn gọi là các phương pháp TDR - Time Domain Reflectometry Phương pháp này là sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dòng điện) vào đầu đường dây bị sự cố Sau khi có xung được phát vào đường dây, ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản hồi Dựa trên việc phân tích tín hiệu phản hồi mà ta

có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số của đường dây, của điểm sự cố

và của tải cuối đường dây Phương pháp này có nhiều lợi điểm so với các phương pháp tổng trở hay phát hiện xung sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không cần phải đồng bộ về thời gian Thời gian sóng phản hồi dài gấp đôi (do cần lan truyền thuận trước khi phản hồi ngược trở lại) nên sai lệch tương đối về thời gian cũng nhỏ hơn Từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp định vị điểm sự cố dựa trên giải pháp TDR này

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB

2.1 Công cụ Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện

2.1.1 Giới thiệu về Matlab

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công

ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, …

MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa học

2.1.2 Giới thiệu về Simulink

Simulink là phần mở rộng của Matlab Simulink là công cụ dùng để mô phỏng

và phân tích hệ thống động liên tục, rời rạc, tuyến tinh và phi tuyến thông qua giao diện GUI dưới dạng sơ đồ khối Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các loại hệ thống khác nhau Hơn thế nữa người

sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình

Để làm việc với Simulink, trước hết phải khởi động Matlab, sau đó gọi lệnh

simulink ta sẽ thu được kết quả như hình 2.1

Simulink gồm các khối thư viện, mỗi thư viện có chứa nhiều thư viện con, mỗi khối thư viện con có một chức năng riêng

Hình 2.1: Giao diện Simulink

Hình 2.2: Các khối thư viện trong Simulink

Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo mẫu giống nhau Mỗi khối

có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ các khối đặc biệt), tên ở giữa các khối thể hiện đặc điểm của khối Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên mỗi tên chỉ sử dụng duy nhất một lần trong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng Khi nháy kép trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters và có thể nhập thủ công các tham số đặc trưng của khối Simulink

 Các loại tín hiệu

Đối với Simulink, khái niệm tín hiệu nhằm chỉ vào dữ liệu xuất hiện ở đầu ra của các khôi chức năng trong quá trình mô phỏng Trong Simulink ta phân biệt 3 loại kích cỡ tín hiệu :

- Tín hiệu đơn (scalar)

- Vector tín hiệu: tín hiệu một chiều với độ dài n còn gọi là tín hiệu 1-D

- Ma trận tín hiệu: Kích cỡ của tín hiệu được xác định theo 2 chiều [mxn] (Arrays) còn gọi là tín hiệu 2-D

 Làm việc với các loại tín hiệu:

Bên cạnh các đặc điểm đã được giới thiệu, mỗi tín hiệu thuộc sơ đồ cấu trúc Simulink đều được gắn một loại số liệu nhất định, quyết định đến dung lượng bộ nhớ dành cho mỗi tín hiệu Simulink cũng hỗ trợ tất cả các loại số liệu như Matlab,

Số liệu mặc định của Simulink là kiểu double Trong quá trình mô phỏng Simulink

sẽ kiểm tra xem việc đảo giữa các loại số liệu có đúng hay không, nhằm loại trừ các kết quả sai lầm có thể xảy ra Khả năng khai báo, xác định loại số liệu của tín hiệu cũng như tham số thuộc các khối chức năng thật có ý nghĩa, nếu ta chọn mô hình chạy với thời gian thật, nhu cầu bộ nhớ và tốc độ tính toán phụ thuộc vào số liệu được ta chọn

2.2 Giới thiệu một số khối chức năng của Simulink

2.2.1 Khối Import và Out Port

Khối Import và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một số mô hình mô phỏng Cần lưu ý đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport Ví dụ,

Outport when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nào khi hệ thống mô phỏng đang ngừng không chạy (xóa về không hay giữ nguyên giá trị cuối

cùng) Initial Outport cho biết giá trị cần lập cho đầu ra

2.2.2 Khối Scope

Nằm trong nhóm chức năng "Sinks", khối Scope có chức năng hiển thị tín hiệu

đã được phân tích trong suốt quá trình mô phỏng Nó hiển thị giá trị được đưa vào theo thời gian Khối có thể hiển thị song song nhiều tín hiệu nhưng cần có chung một trục thời gian Scope cho phép ta chỉnh khoảng thời gian và dãy giá trị tín hiệu

đã được hiển thị Ta có thể di chuyển, thay đổi kích thước của khối này và thay đổi

thông số của khối trong quá trình mô phỏng Scope có thể phóng to/thu nhỏ hình ảnh hiển thị sao cho tối ưu nhất

2.2.3 Electrical Sources

Khối này nằm trong thư viện SimPowerStyems, trong khối này cho phép ta lựa chọn các nguồn điện áp và dòng điện Dưới đây là một số khối nằm trong mục Electrical Soures

 DC Voltage Source: Nguồn điện áp một chiều, có thể được dùng để làm nguồn nuôi cho các thiết bị bảo vệ…

Trong bài toán này ta sử dụng nguồn một chiều để đóng xung điện áp vào đường dây, từ tín hiệu xung đưa vào ta sẽ xác định được tín hiệu phản xạ lại để định

vị sự cố Ngoài ra Simulink còn cung cấp nhiều loại nguồn khác như: AC Voltage Source (Nguồn điện áp xoay chiều), Three-Phase Source (Nguồn điện 3 pha),

Hình 2.3: Một số khối trong thư mục Electrical Sources

 Voltage Measurement:

Khối Voltage Measurement dùng để đo điện áp trong mạch, có thể dùng để đo

điện áp tức thời giữa hai nút điện Đầu ra cung cấp một tín hiệu có thể sử dụng được cho các khối chức năng

 Current Measurement: Khối Current Measurement dùng để đo tức thời một tín hiệu dòng điện chạy qua bất kỳ khối nào, đầu ra cung cấp tín hiệu cho các khối chức năng khác

Hình 2.4: Các khối đo lường

2.2.4 Nhóm các phần tử khác (nhóm Elements)

 Mô hình đường dây với thông số rải (Distributed parameters Line)

Khối này được dùng để mô phỏng mô tả đường dây truyền tải Các thông số của mô hình được khai báo trong block như trên hình 2.5

Hình 2.5: Hộp thoại khối Distributed Parameters Line

Các thông số khai báo trong đơn vị có tên gồm điện trở, điện kháng, điện dung trên 1 km đường dây, tần số hệ thống điện và chiều dài đường dây Mục "Number

of phases N” cho phép ta lựa chọn số pha để mô phỏng (1 pha, 2 pha hay 3 pha)

 Series RLC Branch

Khối Series RLC Branch mô phỏng mạch RLC mắc nối tiếp với các cấu hình phần tử và giá trị các phần tử có thể lựa chọn được

Trong mục “Branch type” cho phép ta lựa chọn tải tương ứng khi mô phỏng trong từng trường hợp:

- Nếu phần tử thuần trở: khai báo L=0 ; C=inf,

- Nếu phần tử thuần cảm: khai báo R=0 ; C=inf,

- Nếu phần tử thuần dung: khai báo L=0 ; R=0

Hình 2.6: Các khối trong thư mục Elements

 Khối Breaker :

Trong thư mục này ta có thể lựa chọn bộ ngắt mạch Khi mà chế độ bên ngoài được chọn, một tín hiệu logic Simulink được sử dụng để kiểm soát hoạt động ngắt Khi tín hiệu trở nên lớn hơn đến giá trị đặt thì cầu dao sẽ cắt ngay lập tức Khi tín hiệu trở về không thì cho phép đóng lặp lại Ta sử dụng phần tử Breaker dùng để đóng điện trở sự cố khi mô phỏng Trong mục “Initial sate” khi ta đặt “0” thì bộ ngắt ở trạng thái mở, khi ta đặt “1” thì mạch ngắt ở vị trí đóng

Hình 2.7: Hộp thoại khối Breaker

2.3 Mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài sử dụng công cụ Matlab/Simulink

Mô hình đề xuất trong luận văn sử dụng bộ phát nguồn một chiều ở đầu nguồn nhằm phát xung điện áp tới đường dây và quan sát sóng phản xạ thông qua tín hiệu

đo được Đường dây dài là đường dây đơn 1 pha, có chiều dài L = 300 km Tải được đặt ở cuối đường dây, thành phần tải có thể thay đổi được Các dạng mô phỏng với tải là R, RL, RC Sự cố ngắn mạch trên đường dây được mô phỏng bằng

bộ ngắt mạch “Breaker” Dựa trên kết quả đo điện áp đầu đường dây, ta sẽ tính toán thành phần sóng phản hồi cũng như thời điểm sóng phản hồi về, từ đó xác định được vị trí của sự cố và dạng tổng trở của sự cố và tải cuối đường dây

Hình 2.8: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên

đường dây một pha có sự cố ở giữa đường dây

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán thông số sự cố từ hình dạng của sóng phản hồi

2.4.1 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây

Khi xét đường dây dài ở chế độ truyền sóng, nếu bỏ qua thành phần điện trở

của đường dây, ta có các thông số truyền sóng được xác định như sau:

C

 là điện trở thuần

Ta có nhận xét về các thông số của đường dây dài không tiêu tán:

 Tổng trở sóng là số thực (thành phần ảo bằng 0) nên tương đương với điện trở thuần

 Vận tốc truyền sóng không phụ thuộc vào tần số nên đường dây không tiêu tán cũng là đường dây không méo

 Tín hiệu truyền sóng trên đường dây không tiêu tán chỉ bị trễ (Hay hệ số pha thay đổi) chứ coi như không bị suy giảm các biên độ

Khi phát một sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ V inc vào đường dây dài có tổng trở sóng Z0 và tổng trở tải cuối đường dây là Z t ta có sóng điện áp sẽ chạy dọc theo đường dây Khi gặp một điểm phân khúc (điểm phân tia, điểm nối tải hoặc cuối đường dây, ) sóng tới sẽ tạo thành hai thành phần: một phần năng lượng của sóng sẽ khúc xạ vào điểm phân khúc, một phần năng lượng sẽ tạo thành sóng phản xạ lan truyền ngược trở lại Để xác định được hai thành phần này, ta có thể áp dụng mô hình thuật toán Petersen [4,5] Ý tưởng của mô hình Petersen được giới thiệu trên hình 2.9 (lấy ví dụ trường hợp sóng đánh đến cuối đường dây) Khi sóng đánh tới cuối đường dây ta có:

( , ) ( , )( , ) ( , )

(2.1)

Do tổng trở sóng Z0 là thuần trở nên:

0 0

( , ) ( , )( , ) ( , )

2 2

( ) ( , ) ( , )( ) ( , ) ( , )

Dùng mô hình mạch (mô hình Petersen) tương đương mô tả quan hệ trên như sau, trong đó t=0 là thời điểm sóng đánh tới cuối đường dây

Hình 2.9: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng

Trường hợp tải cuối đường dây là thuần trở, từ hình 2.9 ta có công thức xác định thành phần khúc xạ vào tải:

Khi đó hệ số phản xạ tại điểm sự cố (hoặc tải) được tính theo công thức:

Hình 2.10: Mô hình Petersen cho trường hợp sóng gặp điểm sự cố hoặc tải

2.4.2 Các trường hợp được tính toán, mô phỏng

a) Đường dây không có sự cố, tải cuối đường dây là tải thuần trở

b) Đường dây không có sự cố, tải R-L nối tiếp

Hình 2.13: Mô hình Petersen tương đương của mạch 2.12a

Giải mạch hình 2.13 ta có: tín hiệu điện áp đầu nguồn hội tụ về giá trị

c) Đường dây không có sự cố, tải R-C song song

Hình 2.15: Mô hình Petersen tương đương của mạch 2.14a

Giải mạch hình 2.15 ta có: tín hiệu điện áp đầu nguồn hội tụ về giá trị

d) Đường dây có sự cố ngắn mạch thuần trở

Trong luận văn này, ta tạm xét các trường hợp phần tử gây sự cố được mô phỏng tương đương là một điện trở thuần Theo công thức (2.8) ta có, khi sóng lan

truyền từ đầu đường dây tới điểm sự cố, ta có một thành phần phản xạ quay lại đầu đường dây với độ lớn là

0 1

đã trình bày ở trên Thành phần phản xạ này khi gặp điểm sự cố lại tiếp tục gây ra các hiện tượng phản xạ và khúc xạ Thành phần khúc xạ sẽ đi vào phần đường dây phía trước sự cố và lan truyền về đầu đường dây Theo (2.16), thành phần khúc xạ qua điểm sự cố sẽ tăng lên (1) lần nên tổng cộng lại, so với trường hợp không

có điểm sự cố, biên độ của thành phần phản xạ được điều chỉnh tăng (1)2 lần Minh họa cho trường hợp này được thể hiện trên hình 2.16

Hình 2.16: Tín hiệu đầu đường dây trong trường hợp có điểm sự cố ở vị trí 1/3 đường dây

và tải R-C song song ở cuối đường dây

2.4.3 Xác định vị trí sự cố từ tín hiệu điện áp đầu đường dây

Khi có thành phần phản xạ truyền về tới đầu đường dây, ta thấy có sự biến thiên đột ngột trong giá trị điện áp đầu đường dây Nếu xác định được chính xác thời điểm biến thiên này thì ta có thể xác định được khoảng cách từ đầu đường dây tới điểm phát sinh ra sóng phản xạ Trên đường dây, khi sóng lan truyền, nếu sóng gặp các phần tử tải, các điểm nối giữa các đường dây hoặc các điểm sự cố, sẽ tạo thành sóng phản xạ Với giả thiết trong luận văn ta có đường dây không phân tia, chỉ có tải cuối đường dây thì nếu điểm phát sinh thành phần phản xạ không phải là

từ cuối đường dây thì ta có thể kết luận đó là do 1 điểm sự cố giữa đường dây sinh

ra Đồng thời theo các công thức (2.9) đến (2.16) ta có, nếu xác định được hàm mô

tả của thành phần phản xạ, ta có thể tính toán được các thông số của tải, của đường dây và của điểm sự cố

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH XỬ LÝ TÍNH TOÁN ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SỰ CỐ TỪ SÓNG LAN TRUYỀN

Như đã trình bày ở trên, trong luận văn này sẽ phân tích tín hiệu điện áp ở đầu đường dây sau khi đóng một nguồn xung điện áp để xác định được vị trí của điểm

sự cố nếu có, chiều dài của đường dây, giá trị điện trở sự cố và các giá trị điện trở cùng điện cảm/dung của tải Vị trí sự cố sẽ được tính toán thông qua việc xác định được chính xác thời điểm biến thiên đột ngột của điện áp đầu đường dây Để xác định được thời điểm này, luận văn sẽ sử dụng công cụ phân tích tín hiệu bằng biến đổi wavelet (sóng nhỏ) Sau đó, thành phần phản xạ sẽ được ước lượng và theo các công thức từ (2.9) đến (2.16) ta có, nếu xác định được thành phần phản xạ, ta có thể tính toán được các thông số của tải, của đường dây và của điểm sự cố

3.1 Công cụ wavelet

3.1.1 Giới thiệu về wavelet

Tín hiệu thực thường có hai đặc tính, chúng bị giới hạn cả trong miền thời gian lẫn miền tần số Những tín hiệu bị giới hạn băng tần có thể được biểu diễn một cách hiệu quả bằng cách sử dụng một hệ thống hàm cơ bản Fourier, nhưng sin và cosin không bị giới hạn trong thời gian Vì thế cần thiết có một sự thoả hiệp giữa những hàm cơ bản hoàn toàn giới hạn trong thời gian và hoàn toàn giới hạn trong tần số Do đó wavelets (hay sóng con) đã được giới thiệu Wavelet là sự phát triển tiếp sau công cụ phân tích phổ Fourier của tín hiệu Trong phương pháp phân tích phổ Fourier ta có một tín hiệu được khai triển theo các hàm cơ sở là hàm sin() và cos() với ảnh Fourier được tính theo công thức

3.1.2 Phân tích phổ bằng wavelet

Phương pháp phân tích tín hiệu theo các hàm wavelet sử dụng các hàm cơ sở

có độ rộng hữu hạn Đối với hàm 1 chiều, độ rộng của tín hiệu là kích thước của miền xác định trong đó giá trị của hàm số vượt quá một giá trị ngưỡng ε cho trước nào đó.Với định nghĩa này dễ dàng chứng mình rằng các hàm sin() và cos() có độ rộng vô hạn Tuy nhiên ví dụ như trên hình 3.3 hàm Gauss dạng chuông

Hình 3.1: Hình vẽ minh họa hàm có độ rộng hữu hạn

Một họ wavelet được định nghĩa từ một hàm cơ sở [58,68,75,76,96,97], được gọi là hàm co dãn (hay còn gọi là hàm tỷ lệ - Scaling Function) Ф(x) với các tính chất sau:

Khi đó các hệ số hn sẽ tạo thành một bộ lọc số thông thấp (hay còn gọi là bộ

lọc thông thấp trong quá trình phân tích LD - Low pass filter for Decomposition)

tương ứng với họ wavelet của hàm Scaling ban đầu Từ các hệ số này, có thể định

nghĩa được hàm Wavelet Mẹ (Mother wavelet) hay còn gọi là hàm Sinh của họ

wavelet đang xét:

( )x 2 N k ( 1)k h N k (2x k) 2 k N g k (2x k)

trong đó các hệ số g k   1 k h N k sẽ tương ứng với một bộ lọc thông cao (hay còn

gọi là bộ lọc thông cao trong quá trình phân tích HD - High pass filter for Decomposition)

Hình 3.2: Hàm co dãn (trên) và hàm sinh (dưới) của wavelet Haar

Lấy ví dụ một trong những wavelet cơ bản và đơn giản nhất là wavelet Haar (cũng đồng thời là wavelet bậc 1 trong họ các wavelet Daubechies) Wavelet Haar

có hàm scaling cho theo định nghĩa:

1 0 10

Một số các họ wavelet khác được biểu diễn hàm sinh trên hình 3.3

Hình 3.3: Một số wavelet kinh điển

Khi sử dụng một họ wavelet, một tín hiệu hàm thời gian có thể được phân tích theo cấu trúc như trên hình 3.4 như sau:

( ) ( ) ( )

f t a t d t (3.7)