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

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................................ v
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................... vi
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN LƢỚI 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 hƣởng đến độ chính xác của tính toán định vị sự cố ........................... 2
1.3 Tổng quan các phƣơng pháp định vị sự cố áp dụng cho đƣờng dây trên không của
lƣới truyền tải điện .................................................................................................................. 2
1.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận văn .................................................................... 11
CHƢƠNG 2 ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ GÂY SAI SỐ ĐỐI VỚI ĐỊNH VỊ SỰ CỐ THEO
TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG TỪ MỘT PHÍA ............................................................................. 16
2.1 Nguyên lý của phƣơng pháp định vị điểm sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng 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 hƣởng đến độ chính xác của phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín
hiệu đo lƣờng từ một phía..................................................................................................... 19
2.3.1
Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố .............................................................. 20
2.3.2
Ảnh hƣởng của dòng tải trên đƣờng dây trƣớc sự cố ......................................... 22
2.3.3
Ảnh hƣởng của điện kháng tƣơng hỗ của các đƣờng dây song song ................. 22
2.3.4
Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện ........................................................... 23
CHƢƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG KHÔNG ĐỒNG BỘ

CHƢƠNG 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 đƣờng dây và hệ thống đƣợc 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 trƣờng hợp còn lại biểu diễn dƣới dạng đồ thị .......... 46
4.3.3
Nhận xét kết quả ................................................................................................. 48
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................................... 50
5.1 Kết luận ...................................................................................................................... 50
5.2 Các đóng góp của tác giả ........................................................................................... 51
5.2 Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai ................................................................ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 53
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 54

ii


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

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

Hình 18 Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện ................................................................... 24
Hình 19 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp ...................................... 25
Hình 20 Đƣờng dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu ............................................................ 27
Hình 21 Trƣờng hợp tín hiệu đo lƣờng không đƣợc 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 đƣợc bởi rơle ............................................................... 30
Hình 24 Thông tin rơle ghi đƣợc trƣớc, 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 đƣờng dây bị sự cố ........................................................................................... 34
Hình 27 Sơ đồ thay thế hình π sử dụng thông số rải của đƣờng dây bị sự cố .......................... 34
Hình 28 Sơ đồ thay thế sử dụng thông số tập trung của đƣờng 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 đƣờng 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 trƣớc sự cố..................................................... 44

iv


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

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

v



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

vi


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

Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chƣơng 1: Tổng quan về định vị sự cố trên lƣới truyền tải điện.
Chƣơng này giới thiệu tổng quan về sự cần thiết phải nâng cao độ chính xác của
định vị sự cố đối với đƣờng dây trên không.Giới thiệu sơ bộ các nghiên cứu về
các phƣơng pháp định vị sự cố và ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp. Đồng
thời đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận văn
 Chƣơng 2: Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của rơle bảo vệ khoảng cách
Giới thiệu nguyên lý định vị sự cố đƣợc sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng
cách hiện có.Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của phƣơng pháp
này.
 Chƣơng 3: Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu đƣờng dây
Phân tích thuật toán định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ hai phía với các
nội dung chính sau:
-

Thuật toán tính toán & các ƣu điểm

-

Giới thiệu phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo phân bố điện áp đến điểm
sự cố tính từ hai phía của đƣờng dây.


Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đƣờng 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 đƣợc 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 đƣờng dây dài ngày và tốn kém.

-

Định vị đƣợc 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 đƣờng dây gồm cả
đƣờng 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 đƣờng 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 đƣợc thời gian tìm sự cố (thông thƣờng 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 mƣa, lũ). Khi xác định
nhanh đƣợc điểm sự cố có thể giúp nhà quản lý nhanh chóng đƣa ra phƣơng
án xử lý sự cố phù hợp với điều kiện địa hình, đặc điểm cúa khu vực sự cố

1


-

Ảnh hƣởng của các thiết bị bù dọc và bù ngang trên đƣờng dây

-

Các sai số của biến dòng điện và biến điện áp

-

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

-

Ảnh hƣởng tƣơng hỗ của các đƣờng dây song song

-

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

-

Sự không cân bằng của dòng tải trên đƣờng dây.

Nhiều nghiên cứu đã đƣa ra các giải pháp để định vị sự cố với mục đích khắc
phục các yếu tố ảnh hƣởng kể trên. Các phƣơng pháp này nhìn chung có thể chia
ra 3 loại chính nhƣ sau: định vị dựa theo tín hiệu đo chỉ từ một phía, định vị dựa
theo tín hiệu đo từ hai đầu đƣờng dây, định vị dựa theo tín hiệu sóng lan truyền.

Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc xác định dựa theo tỷ số của điện kháng đo đƣợc
và điện kháng của một đơn vị chiều dài đƣờng dây:
Lsc (km) 

xroledoduoc
x1km

3


Định vị sự cố trên đường dây dựa trên tín hiệu đo lường không đồng bộ tại hai đầu 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 lƣờng 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 phƣơng pháp này báo
vị trí với một mức sai số tƣơng đối lớn (có thể tới hàng chục km)..
-

Nguyên lý định vị sự cố trong các rơle bảo vệ so lệch đƣờng dây
Các rơle so lệch dọc hiện đại (ví dụ loại GRL100 của hãng Toshiba [4]) đã

đƣợc 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 lƣờng từ
rơle đặt cả ở hai đầu đƣờng dây. Do bản thân các rơle bảo vệ so lệch đã có cơ chế tự
đồng bộ tín hiệu đo từ hai đầu nên phƣơng 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 hƣớng dẫn sử dụng của rơle đều không đề cập một
cách cụ thể đến thuật toán đƣợc sử dụng để xác định điểm sự cố, có thể do đây là
các bí quyết của hãng chế tạo.


Rơle

Rơle
Đường truyền tin

Đường truyền tin

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 lƣờng không đồng bộ từ hai đầu đƣờng
dây: do các rơle tại hai đầu đƣờng dây có thể không đƣợc 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 đƣợc này.

5


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

-

Định vị sự cố dựa theo tín hiệu bản ghi sự cố từ các rơle đặt tại hai đầu
đƣờng dây, tuy nhiên giả thiết rằng các tín hiệu dòng điện và điện áp thu
đƣợc từ hai đầu đƣờng dây là không đầy đủ. Ví dụ chỉ có bản ghi của dòng

dụng trong các rơle hoặc phần mềm chuyên dụng.

6


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

A
Hệ thống
A

Hệ thống
B

BI
BU

Rơle

Dữ liệu
quá khứ

Mạng trí tuệ
nhân tạo

Vị trí sự cố
Điện trở sự cố
Loại sự cố...

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


A

B
Điểm sự cố

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

e
i
  L '.
l F
t

(1.1)

i
e
 C '.
l F
t

(1.2)

Giải ra ta có :
e(lF,t) = ef (lF - vt) + er (lF + vt)

i(lF,t) =

1

-

B: Thời điểm sóng tới đầu B

-

l: Chiều dài đoạn đƣờng dây.

-

v: Tốc độ truyền sóng, v =

1
L '.C '

8


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

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

Phƣơng pháp này có đặc điểm là :
- Phải có các thiết bị ghi tín hiệu đƣợc 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
đƣợc.
- 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


Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện





Phương pháp sử dụng tín
hiệu một phía
(Trí tuệ nhân tạo)

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

Khó áp dụng thực tế

Độ chính xác không cao

Độ chính xác cao hơn

Độ chính xác rất cao

Số lượng dữ liệu ít

Thiết bị rất đắt tiền
Tín hiệu bắt buộc phải
đồng bộ hoàn toàn

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

1.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận văn
Dựa trên sự cần thiết của việc nâng cao độ chính xác của việc định vị sự cố
trên đƣờng dây truyền tải điện trên không và phân tích các phƣơng pháp định vị
sự cố đã đƣợc 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 phƣơng 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 phƣơng 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 phƣơng pháp này, do các bộ ghi sự cố thƣờng đã
đƣợc đồng bộ về mặt thời gian và tần số lấy mẫu tín hiệu cao hơn so với tín hiệu
thu đƣợc từ rơle.
Các nội dung nghiên cứu của các luận văn thạc sỹ trƣớc đó về định vị sự cố
trên đƣờng dây tải điện trên không đƣợc thể hiện nhƣ sau đây:
-

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

11


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


Định vị sự cố trên đƣờngdây rẽ nhánh dựa trên số liệu đo lƣờng đồng bộ
tại hai đầu đƣờng 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 đƣờng 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 đƣờng dây rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo lƣờng không
đồng bộ đầy đủ tại các đầu đƣờngdây – 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 đƣờng dây sử dụng thông số rải.

12


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

-

Định vị sự cố trên đƣờng dây rẽ nhánh dựa trên số liệu đo lƣờng 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 trƣờng 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 đƣợc nghiên cứu trƣớc 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

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

Định vị sự cố với đường dây tải
điện trên không

Sử dụng
trong các
rơle khoảng
cách

Sử dụng tín hiệu đo lường từ
một phía đường dây

Sử dụng tín hiệu đo lường từ
hai phía đường dây

Đường dây có rẽ nhánh

Đường
Đường
dâydây
không
có rẽ
rẽ nhánh
nhánh

Tín hiệu đo
đồng bộ

Tín hiệu đo

từ một phía đường dây

Sử dụng tín hiệu đo lường
từ hai phía đường dây

Nguyên lý làm việc

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 yếu tố ảnh
hưởng đến độ chính xác định
vị sự cố

Kiểm chứng trên số liệu
mô phỏng

Các mô hình thay thế
đường dây khác nhau

Mô phỏng đường dây

Phân tích các ưu điểm

Kiểm chứng trên số liệu
mô phỏng

Thay đổi vị trí sự cố
Thay đổi dạng sự cố


Điểm làm
việc lúc bình
thường

Điểm làm
việc khi sự cố

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

Từ giá trị tổng trở tính đƣợc rơle sẽ tính toán vị trí sự cố theo công thức:
Lsc (km) 

xroledoduoc

(2.1)

x1km

16


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

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

 ZL   I A  IB 

Từ đó xây dựng đƣợc công thức tính tổng trở sự cố ZL:
ZL 

U A UB
I A  IB

[2.3]

Xây dựng phƣơng trình tính toán tổng trở một cách tƣơng tự cho các
trƣờng hợp sự cố pha – pha khác:
Bảng 1 Tổng kết về mạch tính toán cho sự cố pha- pha
Loại sự cố
Sự cố pha – pha
Sự cố 3 pha

Pha sự cố

Mạch tính tổng trở

A–B
B–C
C–A
A–B–C

A–B
B–C
C–A



Viết tách phƣơng trình 2.3theo các thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ
tự không ta có:
U A  U a1  U a 2  U a 0  I a1  Z L1  I a 2  Z L 2  I a 0  Z L 0

[2.5]

Trong đó ZL1; ZL2; ZL0 là các thành phần tổng trở TTT; TTN & TTK của
đƣờng dây. Với đƣờng dây ta có ZL1= ZL2
Trong trƣờng hợp sự cố một pha (N(1)) thì ta có quan hệ giữa các thành
1
3

phần dòng điện nhƣ sau: I a1  I a 2  I a 0  I A
Biến đổi toán học, viết lại phƣơng trình 2.4 ta có:
U A  I a1  Z L1  I a 2  Z L 2  I a 0  Z L 0
 I a1  Z L1  I a 2  Z L1  I a 0  Z L1  I a 0  Z L1  I a 0  Z L 0
 Z L1  I a1  I a 2  I a 0   I a 0  Z L 0  Z L1
1 
 Z L1  I A    I A   Z L 0  Z L1
3 
 Z  Z L1 
 Z L1  I A  1  L 0

3Z L1 


Suy ra:

18