BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Trần Quang Trung

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY RẼ NHÁNH DỰA TRÊN
SỐ LIỆU ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ TẠI HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

MỤC LỤC
Chƣơng mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 7


Các mạch vòng tính toán tổng trở ................................................................................ 17
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phƣơng pháp chỉ

2.2

dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ............................................................................ 20
2.2.1

Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố ............................................................ 20

2.2.2

Ảnh hƣởng của dòng tải trên đƣờng dây trƣớc sự cố ...................................... 23

2.2.3

Ảnh hƣởng của điện kháng tƣơng hỗ của các đƣờng dây song song ............... 24

2.2.4

Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện ......................................................... 25

2.3

Tổng kết các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo

lƣờng từ một phía ............................................................................................................. 26
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG
TỪ HAI ĐẦU ĐƢỜNG DÂY VỚI ĐƢỜNG DÂY CÓ RẼ NHÁNH ............................... 28


Sơ đồ khối của thuật toán tính toán ................................................................. 39

4.2

Thông số của sơ đồ mô phỏng ............................................................................. 42

4.3

Kịch bản mô phỏng và tính toán .......................................................................... 45

4.3.1

Kết quả mô phỏng và tính toán ........................................................................ 46

4.3.2

Nhận xét, đánh giá kết quả tính toán thu đƣợc ................................................ 53

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG
LAI ....................................................................................................................................... 54
5.1

Kết luận ................................................................................................................ 54

5.2

Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .......................................................... 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 56


(Digital Fault Recorders): Thiết bị ghi sự cố

MC

Máy cắt

CT

Máy biến dòng điện

CVT

Máy biến điện áp

SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition)
Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu.

GPS

(Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu

TTK

Thứ tự không

TTT


Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp ................................ 28
Hình 15 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây hai nguồn cấp khi sự cố ........................................ 28
Hình 16 Sơ đồ hệ thống đề xuất nghiên cứu trong luận văn .............................................. 30
Hình 17 Nội dung nghiên cứu đề xuất ................................................................................ 31
Hình 18 Đƣờng dây rẽ nhánh với sự cố trên một nhánh .................................................... 31
Hình 19 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ bình thƣờng ........... 32
Hình 20 Điện áp điểm T tính theo từ một trong các phía tới ở chế độ sự cố trên nhánh AT
............................................................................................................................................. 33
Hình 21 Sơ đồ của đƣờng dây rẽ nhánh sau khi xác định đƣợc nhánh A-T ...................... 35
Hình 23 Giao diện chính của Matlab .................................................................................. 39
Hình 24 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ............................................................... 39
Hình 25 Lƣu đồ thuật toán tính toán .................................................................................. 41
Hình 26 Sơ đồ mô phỏng đƣờng dây có rẽ nhánh trong PSCAD ...................................... 42
Hình 27 Sơ đồ nhánh A-T bị sự cố .................................................................................... 49

5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng biểu

trang

Bảng 1 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lƣờng tƣơng ứng ............................... 17
Bảng 2 Thông số các dòng điện và điện áp 3 pha của hệ thống A ,B,C tong lúc sự cố ...... 46
Bảng 3 Thành phần TTT của dòng điện và điện áp của hệ thống A,B,C ........................... 47
Bảng 4 Các thông số dặc trƣng của mô hình thông số rải ................................................... 48

hƣởng của rất nhiều yếu tố. Trong nhiều trƣờng 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.Chính vì thế
nó ảnh hƣởng rất nhiều đến thời gian xử lý sự cố và cung cấp điện trở lại, gây ảnh
hƣởng rất lớn đến độ tin cậy cung cấp điện, cụ thể là chỉ số SAIDI.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phƣơng pháp định vị
điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng thu thập đƣợc từ các đầu đƣờng dây có nhánh
rẽ (là các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại ba đầu). Phƣơng pháp này thể hiện có
nhiều ƣu việt hơn hẳn so với phƣơng pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía.

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

Để kiểm chứng lý luận của đề tài, tác giả đã thực hiện tính toán theo 2 trƣờng hợp
thông số rải và thông số tập trung để kiểm chứng và so sánh
Kết quả nghiên cứu đƣợc mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đƣờng
dây 220kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh các tính đúng đắn của thuật toán
đƣợc đề xuất.
Kết quả nghiên cứu đƣợc mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đƣờng
dây 220kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh các tính đúng đắn của thuật toán
đƣợc đề xuất.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chƣơng 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 lƣới điện truyền tải. Mô tả sơ
lƣợc về ƣu, nhƣợc điểm của các các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng
dây truyền tải.
 Chƣơng 2: Giới thiệu nguyên lý định vị điểm sự dựa theo tín hiệu dòng điện
và điện áp đo lƣờng đƣợc tại một phía (nguyên lý đƣợc áp dụng trong các

 Sự cố thoáng qua có thể không gây thiệt hại nghiêm trọng, có thể đƣợc khắc
phục thông qua tự động đóng lại. Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng
điểm bị hƣ 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.
Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã đƣợc nghiên cứu
trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lƣới truyền
tải. Lƣới truyền tải đƣợc quan tâm vì mức độ ảnh hƣởng 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 lƣới phân phối.
Hiện nay các đƣờng dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thƣờng đƣợc
trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây
[2]. 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 tƣơng đối lớn (có thể tới hàng chục km). Điều
này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố đƣợc sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa
vào tín hiệu đo lƣờng tại chỗ, do đó chịu ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài.
Các rơle so lệch dọc hiện đại đã đƣợc tích hợp thêm chức năng định vị điểm
sự cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, điều này là hoàn toàn thực
tế vì các rơle loại này thƣờng có thể sử dụng nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín
hiệu đo lƣờng từ hai và ba đầu đƣờng dây. Nhƣng hầu hết trong các tài liệu rơle này
đều không đề cập đến thuật toán và phƣơng pháp xác định điểm sự cố.

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.



Định vị sự cố dựa trên hiện tƣợng sóng lan truyền.

1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Phƣơng pháp này chính là thuật toán đƣợc sử dụng trong các rơle bảo vệ
khoảng cách thông dụng. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán
giá trị tổng trở đo đƣợc [3, 7]. Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle
sẽ tác động và ngƣợc lại. 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) 

xdo
x1km

Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp này:
-

Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lƣờng đƣợc thu thập tại chỗ, không yêu cầu
truyền tín hiệu từ đầu đối diện.
10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

-

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


(đây lại là loại sự cố thƣờng xảy ra đối với lƣới truyền tải và hệ thống
điện nói chung).

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
Phƣơng pháp này sử dụng tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu của đƣờng dây tải
điện [1, 4, 5, 6 , 7, 9]. Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải đƣợc đồng bộ về
mặt thời gian.
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 đƣờng dây AB nhƣ trong Hình 1.2-1.
A

IA

IA
(1-x)

x

IF

B

RF

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo

Dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai trạm đƣợc đồng bộ về
mặt thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:
UF  U A  I A * x * ZD

[1.1]

U F  U B  I B * (1  x) * Z D

[1.2]

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đƣờng dây AB
Trừ hai phƣơng trình cho nhau:
U A  U B  I B * Z D  x * Z D * (I A  I B )

[1.3]

Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc tính ra từ phƣơng trình trên:
x

U A UB  IB * ZD
ZD * (I A  I B )

[1.4]

Phƣơng trình trên có thể áp dụng cho mọi trƣờng 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 đƣa 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 đƣờng dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng thứ tự

dA

B

FB
T

C
Hệ thống
C

Hệ thống
B

dB

Hình 3 Sơ đồ đường dây có rẽ nhánh

Ở chế độ vận hành bình thƣờng, điện áp tại điểm rẽ nhánh T khi tính từ ba
phía A, B, C tới có giá trị giống nhau vì đây chỉ là một điểm nút. Tuy nhiên ở chế
độ sự cố thì điện áp điểm T nếu tính từ A có thể khác với điện áp điểm T nếu tính từ
B hoặc C tùy theo sự cố ở trên nhánh . Ví dụ điện áp điểm T nếu tính từ đầu B, C có
giá trị gần giống nhau khi sự cố, giá trị điện áp tính từ A khác biệt hoàn toàn thì có
thể kết luận điểm sự cố nằm trên đoạn AT [7].
Dựa trên phân tích trên có thể thấy rằng, khi đã xác định đƣợc nhánh bị sự cố thì
hoàn toàn có thể chuyển về bài toán định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai
phía nhƣ đã trình bày ở trên (với ví dụ đã nêu, bài toán sẽ chuyển thành định vị sự
cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai phía của đoạn đƣờng dây AT, với điện áp nút
T đƣợc tính theo điện áp từ một trong hai đầu B hoặc C).



Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Đặc điểm của phƣơng pháp này:
-

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 ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu.

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN
HIỆU ĐO LƢỜNG TỪ MỘT PHÍA
2.1 Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ một phía.

xdo
x1km

[2.1]

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có
tên gọi là bảo vệ khoảng cách.
Trong các rơle khoảng cách hiện đại thì chức năng định vị sự cố hoạt động
độc lập với chức năng bảo vệ. Các mẫu dòng điện và điện áp sử dụng để tính toán
khoảng cách đƣợc thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trƣớc thời điểm cắt máy cắt
để tránh các nhiễu loạn ảnh hƣởng đến độ chính các của định vị. Giá trị khoảng
cách tính toán đƣợc là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu
thu thập đƣợc.
Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh
hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố. Hồ quang có tính chất điện trở, nếu sử dụng giá
trị tổng trở để tính khoảng cách thì giá trị tổng trở này bị ảnh hƣởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán đƣợc.
Các mạch vòng tính toán tổng trở
Tổng trở đƣợc rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tƣơng ứng với các sự cố
pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C – E [2, 7]. Với sự cố pha
- pha hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lƣờng
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 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lường tương ứng

Loại sự cố

Sự cố pha – đất
Sự cố pha – pha



B–C

C–A

C–A

A-B hoặc B-C

A–B–C

hoặc C-A
A-B hoặc A-E

A–B-E
Sự cố 2 pha – đất

hoặc B-E
B-C hoặc B-E

B–C-E

hoặc C-E
C-A hoặc C-E

C–A-E

hoặc A-E

 Vòng lặp cho trƣờng hợp sự cố pha – pha


Z1

RF/2

Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha

 Vòng lặp cho trƣờng hợp sự cố pha – đất
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trƣờng hợp sự cố pha – đất đƣợc tính theo công
thức

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

Z phaE 
Z phaE 

U phaX
I phaX

 Z1  Z N  R f

U phaX
I phaX  K N I N

 Z1 


3I0

A

Z1
B
Z1
C

U0
ZN

Hình 9 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố 3 pha - đất

Theo nhƣ sơ đồ thay thế ở trên thì công thức để tính tổng trở sự cố đối với
trƣờng hợp này có thể đƣợc viết nhƣ sau:
Z0 U 0 1

 Z1  Z N
3
3I 0 3

[2.5]

Z 0  Z1
3

[2.6]

ZN 

I phaX
I phaX  K N I N
 KN
IN

[2.8]

Z N Z 0  Z1

Z1
3Z1

[2.9]

Z pha E

KN 

Trong đó:

Z1 là tổng trở thứ tự thuận
Z0 là tổng trở thứ tự không

2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phƣơng
pháp chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố có thể kể đến
là [3]:
-

Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố.

Trong đó:

8750.Larc
I 1f .4

[2.10]

Rarc - điện trở hồ quang ()
Larc - Là chiều dài hồ quang (m) trong trường hợp không có gió
If - Giá trị dòng sự cố (A)

Chiều dài hồ quang ban đầu bằng khoảng cách từ dây dẫn đến cột hoặc giữa
hai dây dẫn, nhƣng nó sẽ tăng và kéo dài do gió thổi ngang qua do sự đối lƣu và
truyền sóng điện từ. Ngƣời ta đƣa ra giả thuyết điện trở hồ quang phụ thuộc vào
khoảng cách dây dẫn, vận tốc gió và thời gian theo công thức:
Rarc 

Trong đó:

8750  (d  3u  tarc )
I 1.4
f

[2.11]

d: khoảng cách dây dẫn (m)
U: Vận tốc gió (m/s)
tarc: Thời gian hồ quang

Trong trƣờng hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc

ZA =

[2.13]

I
UA
= dZL + RF F
IA
IA

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

[2.14]

trong đó: ZA là tổng trở đo đƣợc bởi rơle đầu phía trạm A
.
Thay thế IF = IA + IB vào phƣơng trình [2.14] ta có
 I 
Z A  dZ L  RF 1  B 
 IA 

[2.15]

Dựa theo phƣơng trình [2.14] có thể thấy rằng, đối với rơle tại hai đầu đƣờng
dây thì thành phần điện trở tại điểm sự cố có thể thể hiện tính chất thuần trở hoặc
cũng có thể thể hiện nhƣ một tổng trở tùy theo góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu


2.2.2 Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố
Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đƣờng dây khi xảy ra sự cố, một
cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đƣờng dây
23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây có rẽ nhánh dựa trên tín hiệu đo
lường đồng bộ tại hai đầu đường dây.

trong chế độ vận hành bình thƣờng. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế
độ bình thƣờng lại phụ thuộc vào mức độ tải của đƣờng dây, do đó có thể nói dòng
điện tải trên đƣờng dây có ảnh hƣởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
Trong trƣờng hợp đƣờng dây chỉ có một nguồn cấp thì ảnh hƣởng này là không cần
tính đến.
2.2.3 Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song
Trong lƣới truyền tải điện hầu hết các đƣờng dây vận hành đều song song và
đi chung cột. Các đƣờng dây này có ảnh hƣởng tƣơng hỗ lẫn nhau, ảnh hƣởng này
sẽ là đáng kể trong trƣờng hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không
(TTK) chạy trên đƣờng dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đƣờng dây bị
sự cố làm cho giá trị đo đƣợc của rơle tổng trở tại đƣờng dây sự cố bị sai lệch.
A

V01

Z0M

Z01

I01