Khử thành phần một chiều trong tín hiệu đo lường ứng dụng trong bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải

Bài viết Khử thành phần một chiều trong tín hiệu đo lường ứng dụng trong bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải trình bày phương pháp áp dụng bộ lọc số mô phỏng khử thành phần một chiều (DC) trong tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây áp dụng trong bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải.

Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy,Nguyễn Xuân Tùng 116 KHỬ THÀNH PHẦN MỘT CHIỀU TRONG TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI REMOVAL OF DIRECT CURRENTS IN MEASUREMENT SIGNALS APPLIED TO FAULT LOCATION ON TRANSMISSION LINES Nguyễn Xuân Vinh1, Nguyễn Đức Huy2,Nguyễn Xuân Tùng2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long; vinhnx@vlute.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; huy.nguyenduc1@hust.edu.vn, tung.nguyenxuan@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp áp dụng lọc số mô khử thành phần chiều (DC) tín hiệu điện áp dịng điện đo lường từ hai đầu đường dây áp dụng toán định vị cố đường dây truyền tải Phương pháp sử dụng số liệu đo lường không đồng từ hai đầu đường dây, áp dụng lọc số mơ để loại bỏ thành phần DC tín hiệu đo lường thuật toán lặp Newton-Raphson để xác định vị trí cố, góc đồng liệu Thuật toán đơn giản, sử dụng số liệu điện áp dòng điện áp dụng lọc thành phần DC kết hợp thuật tốn Fourier rời rạc (DFT), thuật tốn xác định xác vị trí cố số chu kỳ tín hiệu đo lường có vài chu kỳ (do cài đặt thời gian tác động hệ thống bảo vệ lưới truyền tải khoảng vài chu kỳ) Tính xác hiệu thuật tốn kiểm chứng thơng qua mô sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Abstract - This paper presents an approach to apply digital mimic filter (MIMIC) to remove direct current (DC) component in voltage and measurement currents from the two ends used in fault location on power transmission lines This approach uses two-end unsynchronized measurement signals of the line, applying digital mimic filter to remove DC component,and Newton-Raphson algorithm to determine fault location and synchronized angle The algorithm is simple, only uses voltages and currents then applying digital mimic filter that combines discrete Fourier transformation (DFT) As a result, the algorithm can determine fault location exactly when the number of cycles measurement signals have only a few cycles (because the settingtime of the protection system on the transmission grid is only a few cycles) The accuracy and efficiency of the algorithm are verified through simulation using Matlab/Simulinksoftware Từ khóa - định vị cố; Newton-Raphson; đường dây truyền tải; Lọc DC; lọc mô số Key words - fault location; Newton-Raphson; transmission lines; DC removal; digital mimic filter Giới thiệu Hệ thống điện ngày mở rộng phức tạp, đường dây truyền tải điện thành phần quan trọng hệ thống điện thường xảy cố đường dây truyền tải điện phận tiếp xúc thường xun với mơi trường Vì vậy, tốn định vị cố để khôi phục lưới điện truyền tải có ý nghĩa to lớn việc nâng cao độ ổn định độ tin cậy lưới điện Bài toán định vị cố khó hơn, thành phần điện áp, dịng điện đo lường cố xảy có thành phần DC, thuật tốn định vị cố không loại bỏ thành phần DC dẫn đến việc xác định biên độ pha tín hiệu đo lường có sai số, từ ảnh hưởng đến kết định vị cố thời gian thuật toán đưa kết định vị tăng lên Thuật toán định vị cố thuật tốn khử thành phần DC tín hiệu đo lường nhiều nhà khoa học giới quan tâm, đưa nhiều giải thuật hiệu việc định vị cố Tuy nhiên, vấn đề kết hợp thuật toán loại bỏ thành phần DC tín hiệu điện áp dịng điện đo lường ứng dụng toán định vị cố chưa quan tâm mức Thuật toán [2] định vị cố sử dụng mơ hình đường dây thông số rải, thông số đường dây giải thuật NewtonRaphson để định vị cố góc đồng liệu Thuật toán [3, 4] định vị cố cho mơ hình đường dây thơng số rải, sử dụng thuật tốn Newton-Raphson số liệu đo lường khơng đồng Thuật toán [5, 6] đưa số để đánh giá lọc DC, từ đưa khuyến nghị sử dụng lọc số mô kết hợp DFT phương pháp lọc Kalman cải tiến ứng dụng lọc DC hiệu mô rơle khoảng cách phần mềm Matlab/Simulink, áp dụng thuật tốn định vị cố sử dụng tín hiệu đo lường từ đầu đường dây Trong thuật toán dừng lại định vị cố, góc đồng đồng, khử DC toán định vị cố sử dụng số liệu đo lường từ đầu đường dây Vì vậy, báo đưa thuật toán kết hợp thuật toán cho toán định vị cố sử dụng số liệu đo lường từ hai đầu đường dây, đồng thời kết hợp lọc số mô DFT để loại bỏ thành phần DC tín hiệu đo lường, từ giúp nâng cao độ xác tính khả dụng thuật tốn cố mà tín hiệu đo lường cố có vài chu kỳ Đồng liệu đo lường Hình đường dây truyền tải minh họa cho thuật toán S Is F Ir Vs R Vr m l-m l Hình Sơ đồ đường dây bị cố ngắn mạch Ký hiệu: Vs , I s , Vr , I r: Điện áp dòng điện trước cố; Vsf , I sf : Điện áp dòng điện cố; Vsi ,Vri , I si , I ri: Điện áp dòng điện thành phần đối xứng trước cố; Vsfi ,Vrfi , I sfi , I rfi: Điện áp dòng điện thành phần đối ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 xứng cố Trong đó: i = 0,1,2 thứ tự khơng, thuận, nghịch Trong thực tế, tín hiệu điện áp dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây khơng đồng bộ, thuật tốn báo gồm bước: xác định góc đồng tín hiệu đo lường điện áp dịng điện, áp dụng lọc số mô loại bỏ thành phần DC tín hiệu đo lường, xác định vị trị cố thông số Z c1  Hình 3, tín hiệu đo lường sau khử thành phần DC, cho thấy thuật tốn sử dụng tín hiệu đo lường từ chu kỳ thứ sau thời điểm ngắn mạch để áp dụng xác định vị trí cố Tín hiệu ngõ lọc số mơ trở thành tín hiệu đầu vào DFT để trích xuất biên độ pha tín hiệu đo lường sử dụng cho thuật tốn định vị cố sử dụng số liệu đo lường từ hai đầu Áp dụng [4] xác định góc đồng tín hiệu điện áp dịng điện đo lường từ đầu đường dây: Trong đó: a1 + jb1 = A1 A2 + A2 A4 + A3 A4 200 150 100 Magnitute f ( ) = b1cos − a1sin − b2 + b3cos 2 − a3 sin 2 (1) -150  (2) (Ts ) + j fs cos (Ts ) = (3)    K = sqrt    M + N2  2.5 3.5 4.5 x 10 Magnitute 100 50 -50 -100 -150 0.5 1.5 2.5 3.5 Samples 4.5 x 10 Hình Tín hiệu đo lường lọc DC Áp dụng thuật tốn [1] [5] ta có: Vs1 = cosh( 1l )Vr1 + Z c1sinh( 1l ) I r1 (5) Vr = cosh( 1l )Vs1 + Z c1 sinh ( 1l ) I s1 (6) Trong đó: z1 z c1 = y1 = x1 + jx2  1l = l z1 y1 = x3 + jx4 ; ;  : thời Ts − f s cos Thuật toán định vị cố K chọn cho tần số 50Hz, hệ số khuếch đại G lọc (2) 1: K (1 +  f s ) 1.5 150 Bộ lọc số mô phỏng: G ( 50Hz ) = Hình Tín hiệu đo lường Thuật toán [5, 6] đưa lọc số mô phỏng, giúp loại bỏ thành phần DC có tín hiệu đo lường, đưa − t / tín hiệu đo lường thành phần DC có dạng e − t / qua mạch lọc thành phần DC e loại bỏ = 0.5 200 Thuật tốn lọc số mơ (Ts ) + j fs cos (Ts ) Samples Áp dụng thuật tốn lặp Newton-Raphson cho phương trình (1) với nghiệm ban đầu = 0, xác định góc đồng tín hiệu  Sử dụng góc đồng  đồng lại liệu điện áp dòng điện đo lường từ hai đầu đường dây Sau đó, liệu đồng tín hiệu đầu vào lọc thông thấp Butterworth để loại bỏ thành phần tần số bậc cao Bộ lọc thông thấp khơng loại bỏ thành phần DC, tín hiệu ngõ lọc thông thấp đầu vào lọc số mô để loại bỏ thành phần DC tín hiệu đo lường fs -100 A1 = Vs1 I s − Vs I s1; A2 = Vs I r1 − Vs1 I r A3 = Vs1 I r + Vr I s1 − Vr1 I s − Vs I r1 A4 = Vr1 I r − Vr I r1 Trong đó:  = 2 50; 50 -50 a2 + jb2 = A2 A3; a3 + jb3 = A1 A4 K (1 +  f s ) − f s cos 117 (4)  2 50  Trong đó: M = +  f s −  f s cos    fs   2 50  N =  f s cos    fs  Hình 2, tín hiệu chưa loại bỏ thành phần DC thuật tốn định vị cố phải lấy tín hiệu chu kỳ thứ từ thời điểm ngắn mạch tín hiệu trước có thành phần DC khơng thể sử dụng để định vị cố, dẫn đến kết định vị cố bị sai số Khi cố ngắn mạch xảy điểm F đường dây truyền tải điện điện áp điểm cố V fs xác định sử dụng tín hiệu đầu S: V fs = cosh( 1m)Vsf + Zc1sinh( 1m) I sf Điện áp điểm cố V fr xác định sử dụng tín hiệu đầu R: V fr = cosh( (l − m))Vrf + Zc1sinh( (l − m)) I rf Điện áp điểm cố V fs xác định sử dụng tín hiệu đầu S V fr sử dụng tín hiệu đầu R phải V fs = V fr :  cosh( 1m)Vsf + Z c1sinh( 1m) I sf = cosh( (l − m))Vrf + Z c1sinh( (l − m)) I rf (7) Trong đó:  m = x + jx ; Kết hợp (5), (6), (7) tách phần thực, phần ảo hệ phương trình biến [ x1 x2 x3 x4 x5 x6 ]: Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Đức Huy,Nguyễn Xuân Tùng 118  f1 ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = real ((5))   f ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = imag ((5))  f3 ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = real ((6)) (8)   f ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = imag ((6))  f5 ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = real ((7))   f ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 ) = imag ((7)) Áp dụng thuật tốn lặp Newton-Raphson giải hệ phương trình (8) nghiệm [ x1 x2 x3 x4 x5 x6 ] Sau có nghiệm [ x1 x2 x3 x4 x5 x6 ], suy thông số đường dây phần trăm khoảng cách m%tính từ đầu S đến vị trí cố: zc1 = x1 + jx2  1l = x3 + jx4  d = x5 + jx6 m% = abs ( m ) abs ( 1l ) Nếu biết chiều dài đường dây, vào l * m% xác định khoảng cách từ đầu S đến vị trí cố tính bằngkm Kết Hình 4, đường dây truyền tải điện có chiều dài l = 200km mô sử dụng Simulink phần mềm Matlab Tín hiệu điện áp dịng điện khối đo lường Simulink đồng bộ, nên ngõ khối đo lường: tín hiệu điện áp dòng điện đầu R làm lệch góc  so với tín hiệu điện áp dịng điện đầu S, sau tín hiệu bất đồng tín hiệu đo lường sử dụng cho thuật tốn báo Bảng Thơng số đường dây Thông số R (/km) L (H/km) C (F/km) Thứ tự thuận 0,01143 0,00086839 1,342e-008 Thứ tự không 0,24665 0,003088 8,58e-009 Bảng Thông số nguồn S, R Nguồn S R Điện áp (KV) 505 500 Tỉ số (X/R) 10 10 Pha0 Từ phân tích phần qua kết mô thể Bảng 1, thuật tốn trình bày báo cho kết định vị cố với sai số trung bình khoảng 0,0734% sử dụng tín hiệu đo lường loại bỏ thành phần DC thời điểm 0,19 giây (thời điểm xảy ngắn mạch 0.15 giây) Trong đó, sử dụng tín hiệu có chứa thành phần DC, thuật tốn định vị đưa kết vị trí cố với sai số trung bình khoảng 0,1634% sử dụng tín hiệu thời điểm 0,19 giây có thành phần DC tín hiệu, sai số định vị cố tăng khoảng 2,2262 lần so với sử dụng tín hiệu đo lường loại bỏ thành phần DC Kết luận Bài báo đưa giải thuật kết hợp giải thuật [2, 3, 4, 5, 6] đồng thời cải tiến giải thuật có: - Áp dụng lọc số mô để loại bỏ thành phần DC cho tín hiệu điện áp dịng điện đo lường từ hai đầu đường dây - Thuật tốn định vị xác cố tín hiệu đo lường cố có vài chu kỳ - Thuật toán sử dụng thứ tự thuận điện áp dịng điện thuật tốn áp dụng định vị cho loại cố mà khơng cần thuật tốn phân loại cố - Thuật tốn áp dụng định vị cố xảy đường dây lưới truyền tải đường dây lưới phân phối điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Mơ hình đường dây truyền tải định vị cố Bảng Kết mô định vị cố TT 10 m thực Thời gian tế (km) lấy số liệu 15 35 45 50 95 105 125 145 170 185 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 Tín hiệu lọc DC Tín hiệu không lọc DC m (km) Sai số (%) m (km) Sai số (%) 14,9886 0,0057 15,3375 0,1688 35,0619 0,0310 35,3012 0,1506 45,0788 0,0394 45,2728 0,1364 50,0831 0,0416 50,2561 0,1281 95,0175 0,0087 95,0332 0,0166 104,9807 0,0097 104,9641 0,0179 124,8874 0,0563 124,8040 0,0980 144,7729 0,1136 144,6149 0,1925 169,6150 0,1925 169,3480 0,3260 184,5292 0,2354 184,2014 0,3993 [1] Hadi Saadat, Power system analysis, McGraw Hill, 2002 [2] Dine Mohamed, Sayah Houari, Bouthiba Tahar, Accurate Fault LocationAlgorithm on Power Transmission Lines with use of Twoend Unsynchronized Measurements, Serbian Journal of Electrical Engineering Vol 9, No 2, June 2012, 189-200 [3] Sumit, Shelly vadhera, Iterative and non-iterative methods for transmission line fault-location without using line parameters, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Vol 3, Issue 1, July 2013 [4] Renfei Che, Jun Liang, An Accurate Fault Location Algorithm for Two Terminal Transmission Lines Combined with Parameter Estimation, IEEE, Power and Energy Engineering Conference, APPEEC 2009 Asia-Pacific, 2009 [5] Gabriel Benmouyal, Removal of DC offset in current waveforms using digital mimic filtering, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 10, No 2, April 1995 [6] Li-Cheng Wu, Chih-Wen Liu and Ching-Shan Chen, Modeling and testing of a digital distance relay using MATLAB/SIMULINK, Power Symposium, Proceedings of the 37th Annual North American, 2005 (BBT nhận bài: 18/03/2015, phản biện xong: 02/04/2015) ... mạch tín hiệu trước có thành phần DC sử dụng để định vị cố, dẫn đến kết định vị cố bị sai số Khi cố ngắn mạch xảy điểm F đường dây truyền tải điện điện áp điểm cố V fs xác định sử dụng tín hiệu. .. đồng tín hiệu đo lường điện áp dòng điện, áp dụng lọc số mơ loại bỏ thành phần DC tín hiệu đo lường, xác định vị trị cố thơng số Z c1  Hình 3, tín hiệu đo lường sau khử thành phần DC, cho thấy... tốn sử dụng tín hiệu đo lường từ chu kỳ thứ sau thời điểm ngắn mạch để áp dụng xác định vị trí cố Tín hiệu ngõ lọc số mơ trở thành tín hiệu đầu vào DFT để trích xuất biên độ pha tín hiệu đo lường