Sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc đánh giá độ tin cậy của hệ thống điều khiển và bảo vệ trong hệ thống điện673

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Việt Anh SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Mạng hệ thống điện Mã số: 62.52.50.05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Việt Anh SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Mạng hệ thống điện Mã số: 62.52.50.05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: VS.GS.TSKH Trần Đình Long Hà Nội - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Trần Việt Anh ii Mục lục MỞ ĐẦU CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Tổng quan 1.2 Các tiêu đánh giá độ tin cậy hệ thống điều khiển bảo vệ hệ thống điện 1.2.1 Độ tin cậy 1.2.2 Tần suất cố 1.2.3 Hệ số không sẵn sàng 1.3 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy hệ thống điện 1.3.1 Nhiệm vụ đảm bảo độ tin cậy hệ thống điện 1.3.2 Phương pháp mơ hình hố 1.3.3 Phương pháp giải tích 1.4 Nhận xét Trang 4 7 11 11 13 15 30 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Hệ thống điều khiển bảo vệ hệ thống điện 2.2.1 Khái niệm chức 2.2.2 Quy mô, cấu trúc nhiệm vụ của hệ thống điều khiển bảo vệ 2.2.3 Sự phát triển hệ thống điều khiển bảo vệ 2.2.4 Cấu hình yêu cầu chung hệ thống điều khiển bảo vệ 2.3 Phân tích kênh thơng tin phục vụ truyền liệu tín hiệu điều khiển, bảo vệ hệ thống điện 2.3.1 Một số đặc trưng kênh thông tin 31 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.4 46 46 50 51 53 58 B Một số yêu cầu kênh thông tin Dây dẫn phụ cáp thông tin Tải ba điện lực PLC Thông tin vơ tuyến viba Cáp quang Phân tích khả hỏng hóc thiết bị hệ thống điều khiển bảo vệ hệ thống điện 31 31 31 33 40 42 44 45 iii 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 Thiết bị sơ cấp Thiết bị rơle bảo vệ Hệ thống kênh thông tin Thiết bị mạng Nhận xét 58 59 61 62 63 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ TRONG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ 3.1 Mơ hình cố cho hệ thống bảo vệ đường dây truyền tải 3.1.1 Đánh giá hỏng hóc máy cắt đường dây truyền tải 3.1.2 Đánh giá hỏng hóc hệ thống bảo vệ 3.2 So sánh số sơ đồ bảo vệ đường dây truyền tải 3.2.1 Bảo vệ khoảng cách dùng kênh truyền PLC 3.2.2 Bảo vệ khoảng cách dùng kênh truyền quang 3.2.3 Bảo vệ khoảng cách dùng kênh truyền PLC bảo vệ so lệch dùng kênh truyền quang (ĐZ 500kV mạch đoạn Pleiku - Phú Lâm) 3.2.4 Bảo vệ so lệch dùng kênh truyền quang bảo vệ khoảng cách dùng kênh truyền quang (ĐZ 500kV mạch Pleiku - Đà Nẵng) 3.2.5 Sơ đồ POTT có xét đến vùng I khoảng cách 3.2.6 Phân tích so sánh sơ đồ 3.3 Cây cố cho số cấu trúc hệ thống I&C 3.3.1 Cây cố cho hệ thống I&C sử dụng RTU 3.3.2 Cây cố cho hệ thống I&C với cấu trúc 3.3.3 Cây cố cho hệ thống I&C với cấu trúc bus 3.3.4 Cây cố cho HT kết nối song song RTU xử lý thông tin 3.3.5 Tổng hợp sơ đồ cấu trúc 65 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN ĐIỆN LỰC ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Một số khái niệm mạng độ kết nối mạng 4.2.1 Thông lượng khả thông qua 95 65 66 69 74 75 77 79 80 82 84 87 88 89 90 91 93 95 96 96 iv 4.2.2 Mạng 4.2.3 Luồng mạng, lát cắt, độ kết nối mạng 4.3 So sánh cấu trúc mạng sơ đồ điều khiển bảo vệ tự động hóa trạm biến áp 4.3.1 Phân tích cấu trúc mạng thơng tin 4.3.2 So sánh cấu trúc mạng sơ đồ điều khiển bảo vệ tự động hóa trạm biến áp 4.3.3 Phân tích cố thơng qua lát cắt cực tiểu 4.4 Bài toán luồng cực đại mạng phương pháp đường tăng luồng 4.4.1 Luồng cực đại mạng 4.4.2 Bài toán đường tăng luồng 4.5 Bài toán mở rộng lát cắt hẹp 4.6 Nhận xét 96 97 100 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRẠM 500KV THƯỜNG TÍN 5.1 Khả cố hệ thống điện Việt Nam 5.1.1 Các nguy cố lớn 5.1.2 Một số loại cố điển hình 5.1.3 Tính phù hợp độ an toàn 5.2 Giới thiệu trạm 500kV Thường Tín 5.2.1 Hệ thống điều khiển bảo vệ tự động hóa trạm 500kV Thường Tín 5.2.2 Các thiết bị hệ thống, chức chế độ vận hành 5.3 Sử dụng phương pháp cố, đánh giá độ tin cậy hệ thống điều khiển bảo vệ trạm 500kV Thường Tín 5.3.1 Cây cố cho máy cắt 500kV ứng với liên động điều khiển đóng, cắt máy cắt 5.3.2 Xây dựng cố cho hệ thống điều khiển bảo vệ theo ngăn lộ 5.4 Nhận xét 124 KẾT LUẬN DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 101 107 114 116 116 117 122 122 124 124 125 125 127 128 131 131 131 149 160 161 163 164 175 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BCU Bay Control Unit - Thiết bị điều khiển ngăn lộ CT Current Transformer - Biến dòng điện CVT Capacitor Voltage Transformer - Biến điện áp DC Direct Current - Nguồn điện áp chiều DCS Digital Control System - Hệ thống điều khiển số EWS Engeenering Work Station - Máy tính kỹ thuật GW Gateway HMI Human Machine Interface - Giao diện người máy IEC International Electrotechnical Commission IED Intelligent Electronic Devices - Thiết bị điện tử thông minh IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers I&C Instrumentation and Control - Hệ thống điều khiển đo LAN Local Area Network - Mạng cục MC Máy cắt MW Microwave - Kênh viba MTBF Mean Time Between Failure - Thời gian làm việc tin cậy trung bình MTTR Mean Time To Repair - Thời gian sửa chữa trung bình PLC Power Line Carrier - Tải ba điện lực POTT Permissive Overreaching Transfer Trip - Sơ đồ cắt liên động phần tử vượt tuyến truyền tín hiệu cho phép PUTT Permissive Underreaching Transfer Trip - Sơ đồ cắt liên động phần tử nội tuyến truyền tín hiệu cho phép RTU Remote Terminal Unit - Thiết bị đầu cuối SCADA System Control and Data Acquisition - Hệ thống thu thập, xử lý hiển thị liệu UCA Utility Communication Architecture WAN Wide Area Networks - Mạng diện rộng vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số không sẵn sàng số thiết bị Bảng 1.2 Quan điểm nâng cao tính phù hợp độ tin cậy Bảng 1.3 Quy tắc đại số Boole thường dùng cố Bảng 3.1 Hệ số không sẵn sàng số sơ đồ đường dây truyền tải Bảng 4.1 So sánh hệ số không sẵn sàng cấu trúc mạng LAN trạm biến áp Bảng 5.1 Giá trị xấp xỉ q ngăn lộ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biến đổi - tam giác, nhiều cánh - đa giác ngược lại Hình 1.2 Biến đổi - tam giác tam giác - Hình 1.3 Khai triển phần tử E hình 1.2 Hình 1.4 Các sơ đồ mạng nối tiếp song song Hình 1.5 Graph độ tin cậy sơ đồ cầu Hình 1.6 Sơ đồ đẳng trị đường (a) lát cắt (b) Hình 1.7 a) Sơ đồ cầu, b) Graph tương ứng Hình 1.8 Ma trận lát cắt sơ đồ đẳng trị lát cắt Hình 1.9 Sơ đồ cố Hình 2.1 Chức hệ thống tạo nên hệ thống điều khiển bảo vệ hệ thống điện Hình 2.2 Hệ thống điều khiển bảo vệ điển hình trạm biến áp Hình 2.3 Cấu trúc logic hệ thống điều khiển bảo vệ trạm biến áp Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tích hợp theo quy định EVN Hình 2.5 Sơ đồ bảo vệ đường dây truyền tải sử dụng kênh truyền viba Hình 2.6 Sơ đồ bảo vệ đường dây truyền tải sử dụng kênh truyền tải ba Hình 2.7 Mạch điều khiển cho bảo vệ đường dây Hình 2.8 Mạch điều khiển đầu A truyền tín hiệu cho phép tín hiệu cắt PLC MW Hình 2.9 Điều khiển hệ thống điện Hình 2.10 Các giai đoạn phát triển hệ thống điều khiển bảo vệ Hình 2.11 Giao diện người - máy ĐKHTĐ qua giai đoạn Hình 2.12 Sự phát triển thiết bị điều khiển hệ thống điện Hình 2.13 Liên hệ thiết bị làm việc với kênh truyền tín hiệu Hình 2.14 So sánh suy giảm tín hiệu đường truyền cáp đơi dây xoắn cáp đồng trục Hình 2.15 Quan hệ tốc độ truyền chiều dài dây dẫn tối đa RS-422/RS485 sử dụng cáp đôi dây xoắn AWG 24 Hình 2.16 Sơ đồ đấu nối thơng tin tải ba đường dây cao áp Hình 2.17 Sơ đồ tổng qt hệ thống thơng tin viba Hình 2.18 Hiện tượng phađinh sóng viba Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện a) quang b) Hình 2.20 Sơ đồ HT BVSL dùng cáp quang cho ĐZ 500kV Đà Nẵng - Hà Tĩnh Hình 2.21 Sự phụ thuộc độ suy giảm tín hiệu độ tán xạ vào độ dài bước sóng Hình 3.1 Cây kiện dẫn đến kiện đỉnh Hình 3.2 Cây cố máy cắt viii Hình 3.3 Trạng thái phần tử hỏng hóc máy cắt trạm A Hình 3.4 Cuộn cắt tiếp điểm 52a máy cắt trạm A Hình 3.5 Cây cố hệ thống điều khiển máy cắt trạm A Hình 3.6 Tín hiệu cho phép truyền tín hiệu bảo vệ trạm A Hình 3.7 Tín hiệu truyền cắt truyền tín hiệu bảo vệ trạm A Hình 3.8 Cây cố cho hệ thống ĐKBV Hình 3.9 Cây cố cho cố vùng trạm A Hình 3.10 Cây cố hỏng rơle 1A Hình 3.11 Cây cố cho nhánh E1 Hình 3.12 Cây cố cho cố vùng A - B Hình 3.13 Sơ đồ phối hợp tổng trở khởi động đặc tính thời gian ba vùng tác động bảo vệ khoảng cách Hình 3.14 Sơ đồ bảo vệ đường dây sử dụng F21, kênh truyền PLC Hình 3.15 Cây cố cho mạch bảo vệ đường dây hình 3.24 Hình 3.16 Sơ đồ bảo vệ đường dây sử dụng F21 Hình 3.17 Cây cố cho mạch bảo vệ đường dây hình 3.16 Hình 3.18 Cây cố cho mạch bảo vệ đường dây có bổ sung rơle dự phịng Hình 3.19 Sơ đồ bảo vệ ĐZ 500kV mạch đoạn Pleiku - Phú Lâm Hình 3.20 Cây cố cho mạch bảo vệ đường dây hình 3.19 Hình 3.21 Sơ đồ bảo vệ ĐZ 500kV mạch đoạn Pleiku - Đà Nẵng Hình 3.22 Cây cố cho mạch bảo vệ đường dây hình 3.21 Hình 3.23 Ảnh hưởng Rsc đến vùng I khoảng cách với đặc tuyến mho sơ đồ POTT Hình 3.24 Cây cố cho sơ đồ POTT có xét đến vùng I khoảng cách Hình 3.25 Hệ thống I&C sử dụng RTU cho trạm biến áp Hình 3.26 Cây cố HT I&C sử dụng RTU cho trạm biến áp Hình 3.27 Cây cố cho hệ thống I&C sử dụng RTU Hình 3.28 Mơ hình cấu trúc cố cho hệ thống I&C có cấu trúc rơle xử lý thơng tin Hình 3.29 Cây cố cho cho hệ thống I&C có cấu trúc rơle máy tính cá nhân (PC), máy tính cơng nghiệp Hình 3.30 Mơ hình cấu trúc cố cho cho hệ thống I&C có cấu trúc bus rơle máy tính cá nhân (PC), máy tính cơng nghiệp Hình 3.31 Cây cố cho HT bao gồm song song RTU xử lý thơng tin Hình 4.1 Mạng có nhiều nguồn nhiều đích Hình 4.2 Đồ thị có hướng ma trận khả thơng qua mạng Hình 4.3 Sơ đồ nối mạng lát cắt Hình 4.4 Mạng có độ kết nối nút 1, độ kết nối cung Hình 4.5 Cấu trúc bus 185 k=0; for (i=1;i0) { k++; for (i=1;i0)&&(x[i]==n-m+i)) i ; if (i>0) { x[i]++; for (j=i+1;j