BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Trần Thanh Sơn
ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỂN TẢI
DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.
Hà Nội - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Trần Thanh Sơn
ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỂN TẢI
DỰA THEO PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TỪ 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 - 2014
1.2.3
Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền ..................... 8
CHƯƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ MỘT
PHÍA ............................................................................................................................ 11
2.1
Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía. ................... 11
2.1.1
Nguyên lý làm việc .................................................................................... 11
2.1.2
Thuật toán tính toán tổng trở trong rơle bảo vệ khoảng cách ....................... 12
2.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp chỉ
dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía ......................................................................... 14
2.2.1
Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố ....................................................... 15
2.2.2
Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố ................................... 18
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
3.3
Đề xuất nghiên cứu ........................................................................................... 28
3.3.1
Cơ sở của thuật toán được đề xuất .............................................................. 28
3.3.2
Chi tiết tính toán vị trí sự cố theo phân bố điện áp từ hai phía ..................... 29
3.3.3
Lựa chọn loại dòng điện và điện áp trong tính toán góc đồng bộ ................. 31
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ SỰ CỐ DỰA
THEO PHÂN BỐ ĐỘ LỚN ĐIỆN ÁP TỪ HAI PHÍA ................................................. 33
4.1
Thông số của đường dây được mô phỏng .......................................................... 33
4.2
Thông số của tuyến đường dây được mô phỏng ................................................. 36
4.3
4.5.3
Vị trí sự cố 30km, điện trở sự cố 10Ω và 100% tải trước sự cố, bước tăng
trong tính toán vị trí ................................................................................................. 48
4.5.4
Bảng tổng hợp số liệu với các kịch bản mô phỏng khác .............................. 49
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................. 51
5.1
Kết luận ............................................................................................................ 51
5.2
Phương hướng nghiên cứu trong tương lai ......................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 53
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 54
Lập trình Matlab tính toán vị trí điểm sự cố cho đường dây dựa theo phân bố điện áp từ
hai phía........................................................................................................................ 54
ii
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
Hình 17 Phân bố điện áp tính từ hai phía tới trên đường dây bị sự cố ............................... 28
Hình 18 Sơ đồ đường dây bị sự cố ................................................................................... 29
Hình 19 Sơ đồ thay thế hình π sử dụng thông số rải của đường dây bị sự cố .................... 30
Hình 20 Giao diện chính của Matlab................................................................................ 35
Hình 21 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ............................................................. 36
Hình 22 Sơ đồ tuyến đường dây được mô phỏng trong PSCAD ....................................... 36
Hình 23 Minh họa khối tính toán thành phần thứ tự thuận ............................................... 37
Hình 24 Cách bố trí dây dẫn các pha................................................................................ 37
Hình 25 Thông số đường dây được PSCAD tính ra ......................................................... 38
Hình 26 Giao diện để điều chỉnh thông số đường dây ...................................................... 38
Hình 27 Giao diện để điều chỉnh nguồn khi thay đổi dòng công suất ............................... 39
Hình 28 Lưu đồ tính toán sử dụng trong luận văn ............................................................ 40
Hình 29 Dữ liệu sau khi chuyển sang file Excel ............................................................... 41
iv
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
Hình 30 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 1 mẫu ................................................ 41
Hình 31 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 2 mẫu ................................................ 41
Hình 32 Lưu đồ thuật toán dò tìm vị trí sự cố .................................................................. 43
Hình 33 Dạng sóng điện áp từ hai đầu S và R thu được trước và trong khi sự cố.............. 45
Hình 34 Độ lớn điện áp thứ tự thuận thu được từ đầu S và R trước và trong khi sự cố ..... 45
Hình 35 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=0Ω ....................................... 47
Hình 36 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=5Ω ....................................... 48
Hình 37 Kết quả tính toán với kịch bản sự cố tại 30km, Rf=10Ω ..................................... 49
v
Trong hệ thống điện, nhiều phương pháp bảo vệ định vị sự cố đã được giới
thiệu. Định vị sự cố được áp dụng phổ biến đối với lưới điện truyền tải và các
đường cáp. Rơle bảo vệ phổ biến nhất đối với lưới truyền tải là rơle bảo vệ khoảng
cách. Các rơle bảo vệ khoảng cách có thể định vị sự cố, tuy nhiên độ chính xác còn
là vấn đề cần phải được xem xét. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định
vị sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách có thể là điện trở hồ quang tại điểm sự
cố, thông số của đường dây không chính xác, ảnh hưởng hỗ cảm của các đường dây
song song, sự thay đổi điện trở suất của đất tại các vùng khác nhau mà tuyến đường
dây đi qua...Trong một số trường hợp, sai số của thể lên tới hàng chục kilomet, do
đó các đơn vị tốn rất nhiều thời gian để tìm kiếm vị trí chính xác của các sự cố.
Nội dung luận văn tập trung phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo
lường từ hai đầu đường dây. Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm so với
phương pháp định vị sự cố chỉ dựa theo tín hiệu từ một phía, cần phải tính toán
đồng bộ lại các tín hiệu đo từ hai đầu đường dây. Để khắc phục các nhược điểm
này, trong luận văn đề xuất phương pháp tính toán định vị sự cố dựa trên phân bố
độ lớn của điện áp từ hai phía của đường dây. Việc sử dụng độ lớn của điện áp có
ưu điểm là loại trừ được yêu cầu phải đồng bộ tín hiệu đo từ hai phía, do đó có thể
1
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
áp dụng rộng rãi với cả các đường dây mà hệ thống bảo vệ hai đầu không được
đồng bộ thời gian.
Đề xuất nghiên cứu được tính toán với số liệu mô phỏng dựa trên PSCAD.
Đường dây được mô phỏng là tuyến đường dây 220kV lấy thông số từ tuyến đường
dây có sẵn trong thư viện của phần mềm PSCAD.
Về bố cục, luận văn gồm các phần như sau đây:
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 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.
Phát hiện vị trí sự cố thường dựa trên việc tuần tra dọc tuyến đường dây, tuy nhiên
đây là công việc tốn nhiều nhân công và thời gian. Có nhiều phương pháp định vị
sự cố trong hệ thống điện đã được nghiên cứu và đưa vào áp dụng, nhiều loại thiết
bị tiến tiến đã được lắp đặt trên lưới điện Việt Nam (thiết bị định vị sự cố dựa theo
sóng lan truyền trên đường dây). Các phần tiếp theo sẽ giới thiệu các phương pháp
định vị sự cố này.
3
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
Hình 1 Đường dây 500kV bị sự cố do cần cẩu chạm vào
Trong các trạm biến áp, có thể có cả các bộ ghi sự cố và các rơle bảo vệ, các
thiết bị này có sự liên hệ chặt chẽ do làm việc cùng trên một đối tượng. Tuy nhiên
có một số khác biệt giữa hai loại thiết bị này:
-
Tốc độ truyền thông tin;
-
loại sơ lược các phương pháp này như sau [3, 8]:
-
Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây.
o Sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách
-
Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây
o Tín hiệu đo lường được đồng bộ về thời gian
Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía
Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía.
o Tín hiệu đo lường không được đồng bộ về thời gian
Tín hiệu đo được gồm đầy đủ điện áp và dòng điện hai phía.
Tín hiệu đo được thiếu dòng điện hoặc điện áp của một phía.
-
Định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền:
o Dựa theo sóng lan truyền tới hai đầu đường dây
5
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
o Dựa theo thời điểm sóng lan truyền tới một đầu đường dây
1.2.1 Định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường tại một đầu đường dây
Nguyên lý định vị sự cố này được sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách
[6]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở đo
Không cần xét tới việc đồng bộ thời gian với rơle ở đầu đối diện.
-
Quen thuộc đối với người sử dụng, dễ dàng xem xét số liệu do việc chỉ báo
sự cố là tự động.
-
Tuy nhiên độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: như giá
trị điện trở hồ quang tại điểm sự cố, mức tải của đường dây trước sự cố, ảnh
hưởng của nguồn trung gian bơm vào đường dây…các yếu tố ảnh hưởng này
sẽ được phân tích ở chương sau.
6
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
1.2.2 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 [1, 4, 5]. Chi tiết của nguyên lý này được thể hiện như sau:
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là p (%) trên đường dây
AB như trong Hình 3:
B
IA
IB
1-p
[1.3]
Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên:
p
U A U B IB * ZD
Z D * (I A IB )
[1.4]
Phương trình trên có thể áp dụng cho mọi trường hợp sự cố. Tuy nhiên, để
thuận tiện trong tính toán có thể sử dụng các thành phần dòng điện & điện áp thứ tự
thuận (TTT) hoặc thứ tự nghịch (TTN) hoặc thứ tự không (TTK) trong tính toán.
Do các thành phần điện kháng thứ tự không của đường dây rất khó để xác định
chính xác, do vậy thường 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).
Các nhận xét với phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng
bộ từ hai đầu đường dây:
-
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.
-
Độ chính xác định vị sự cố cao hơn so với phương pháp tính toán chỉ sử
dụng tín hiệu đo lường từ một đầu
Hình 5 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây
Khoảng thời gian chênh lệch Δt giữa tín hiệu tới các đầu đường dây phải được xác
định một cách rất chính xác. Với việc sử dụng đồng bộ thời gian bằng tín hiệu đồng
hồ vệ tinh GPS (Hình 6) có thể giải quyết được vấn đề này.
9
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
Hình 6 Rơle có sử dụng đồng bộ thời gian bằng đồng hồ vệ tinh GPS
Các nhận xét với phương pháp này:
-
Cần có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao.
Việc ứng dụng đồng hồ vệ tinh GPS đảm bảo khả năng đồng bộ này, tuy
nhiên vẫn có sai số nhất định. Kết quả ứng dụng thực tế cho thấy sai số định
vị có thể trong khoảng 300m.
-
Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao và khả năng lưu trữ
lớn để có thể ghi nhận các tín hiệu sóng lan truyền.
-
Cần phải xử lý chống nhiễu cho các thiết bị đo
Hình 7 Bảo vệ khoảng cách áp dụng cho đường dây tải điện
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 8).
11
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
Hình 8 Đặc tính tác động MhO của rơle bảo vệ khoảng cách
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:
Lsc (km)
xdo
L(km)
x1km
[2.1]
Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh
hưởng 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 hưởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán được.
Do các tín hiệu dòng điện và điện áp thường dao động mạnh trong quá trình
IAF=I1+I2+I0=3I0
[2.3]
VAF I1 * pZ1 I 2 * pZ 2 I 0 * pZ 0
Z
pZ1L I1 I 2 I 0 0 L
Z1L
Z
Z Z1L
pZ1L I A I 0 I 0 0 L pZ1L I A I 0 0 L
Z1L
Z1L
I
Z Z1L
pZ1L I AF AF 0 L
pZ1L * I AF * 1 K 0
3
Z1 L
[2.4]
B-G
VB
I B 1 K 0
C-G
VC
I C 1 K 0
A-B hoặc A-B-G
VA VB
I A IB
B-C hoặc B-C-G
VB VC
I B IC
C-A hoặc C-A-G
VC VA
IC I A
Sử dụng một trong các công thức sau đây:
a-b-c
VA VB VB VC VC VA
;
2.2.1 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố
Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng
điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện
trở hồ quang này cũng nằm trong mạch 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.
Điện trở hồ quang phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo
công thức sau:
Rarc =
Trong đó:
[2.6]
8750.Larc
I 1f .4
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, nhưng nó sẽ tăng và kéo dài do gió thổi ngang qua do sự đối lưu và
truyền sóng điện từ. Người ta đưa 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
Trong đó:
16
Định vị sự cố trên đường dây truyền tải dựa theo phân bố điện áp từ hai đầu đường dây
d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)
ZL: tổng trở của đường dây AB
UA; IA: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A
IF: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, thỏa mãn quan hệ
I F = I A + IB
Từ công thức [2.8] suy ra ZA =
ZA =
[2.9]
UA
I
= dZL + RF F
IA
IA
UA
I
= dZL + RF F
IA
IA
[2.10]
sẽ là số
IA
Nếu dòng điện IA và IB trùng pha nhau hoàn toàn: thì giá trị
thực và ZF tính được sẽ chỉ gồm thành phần điện trở (thuần trở). Thành phần
điện trở trong tổng trở đo được sẽ bị sai khác với điện trở của phần đường
dây bị sự cố, tuy nhiên thành phần điện kháng không bị ảnh hưởng. Rơle tính
toán khoảng cách sự cố dựa theo điện kháng đo được nên sẽ không bị ảnh
hưởng đến độ chính xác.
-
IB
thể hiện như một
IA
Nếu dòng điện IA và IB lệch pha nhau: thì thành phần
số phức giá trị ZF đo được sẽ là một tổng trở. Tổng trở ZF bao gồm thành
17
Copyright: Tài liệu đại học ©