32 Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn ĐÁNH GIÁ CHỨC NĂNG ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ CỦA RƠLE AREVA SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ASSESSMENT OF FAULT LOCATOR FUNCTION FOR AREVA RELAY IN THE POWER SYSTEM Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng; Email: Lekimhung@dut.Udn.vn Cơng ty TNHH MTV thí nghiệm điện Miền Trung; Email: Vuphanhuan@gmail.Com Tóm tắt: Bài báo phân tích, đánh giá phương pháp định vị cố sử dụng ghi cố rơle kỹ thuật số AREVA P132, P443 Việc phân tích có xét đến thành phần dòng điện tải trước lúc cố nguồn cung cấp từ đầu đường dây đối diện Khi rơle có tín hiệu cắt máy cắt (MC) cố, khoảng cách điểm cố tính tốn dựa liệu đo lường dòng điện điện áp, giá trị chỉnh định thông số đường dây, hệ số bù dư (đối với cố chạm đất); sau đó, hiển thị kết lên hình rơle Ngoài ra, để đánh giá phương pháp định vị cố Areva, báo sử dụng phần mềm Matlab Simulink nhằm mô trường hợp cố (với nhiều giá trị điện trở cố, kiểu cố khác nhau) thường xảy đường dây 172 TBA 110kV Quán Ngang Quảng Trị Kết mô Matlab/ Simulink rằng, phương pháp cho phép rơ le làm việc xác trường hợp có điện trở cố nhỏ Abstract: This paper analyzes the fault location algorithm basing on the fault locator used in the numerical relay Areva P132 and P443, which takes into account the prefault load current and the infeed from the remote end When the relay does any trip, the distance to fault location is computed by the information from the current, voltage inputs, line impedance and residual compensation factor settings to display on LCD Besides, the Matlab/ Simulink software allows an analysis of the results of some fault conditions at various fault scenarios (fault resistance and fault type) which frequently occur on transmission line 172 at 110kV Quanngang Substation in Quangtri Province This allows us to rethink the algorithm of areva Simulation results with Matlab/ Simulink indicate that the fault location algorithms are correct and accurate with small fault resistance Từ khoá: đường dây truyền tải điện; đo lường thông số đường dây; định vị cố; phân loại cố; rơle bảo vệ Key words: transmission line; measurement of transmission line parameters; fault location; fault detection; relay protection Đặt vấn đề Cho đến nay, công tác phân loại dạng sự cố định vị sự cố lưới điện nhiều nhà khoa học nước quan tâm Nhờ sự phát triển mạnh mẽ công nghệ lĩnh vực kỹ thuật số, thiết bị rơle bảo vệ (RLBV) đại nên việc phân loại sự cố đã tương đối tin cậy Vấn đề còn lại cần giải để định vị sự cố ngày tốt Định vị sự cố với độ xác cao giúp cho nhân viên vận hành nhanh chóng tìm điểm sự cớ để thực biện pháp sửa chữa, khôi phục lưới kịp thời, giảm thời gian mất điện, giảm chi phí phàn nàn khách hàng Trong bối cảnh HTĐ Việt Nam, điều lại thể rõ nét EVN sử dụng hệ thống Scada, hệ thống tự động hóa trạm biến áp, RLBV bợ ghi sự cớ để để thu thập thông tin giá trị điện áp, dòng điện, tình trạng làm việc thiết bị tại đầu đường dây trạm biến áp (TBA), nhà máy điện (NMĐ) nhằm xử lý cô lập sự cố, tránh lan tràn sang phần tử còn lại vận hành Tuy nhiên, thuật toán định vị sự cố sử dụng liệu đo lường nguyên tắc tổng trở tại một đầu đường dây sử dụng phổ biến RLBV tại TBA, có cấp xác bị ảnh hưởng thơng sớ giá trị điện trở sự cớ, góc tổng trở sự cố, số nguồn cung cấp từ phía… nên kết tính tốn có sai sớ lớn so với sớ liệu thực tế [1] Do đó, hãng sản xuất đưa sai số cho phép đới với thuật tốn tính khoảng cách sự cớ cụ thể [2]: Toshiba ±2.5 km đới với đường dây có chiều dài đến 100 km, ±2.5% đới với đường dây có chiều dài từ 100 km đến 250 km Siemens ≤ 2.5% đối với đường dây có nguồn cung cấp từ mợt phía, Sel ≤ 2%, Abb 2.5% Areva ≤ 2.5% Bài báo phân tích bước thực tính tốn vị trí sự cớ hãng sản x́t rơle Areva dựa liệu đo lường tại một đầu đường dây, thông số đường dây chỉnh định RLBV Đồng thời, kiểm chứng, thử nghiệm chức định vị sự cớ tích hợp rơle P132, P443 hợp bợ thí nghiệm Omicron CMC 356 tiến hành đánh giá sai số kết đầu phép tính phần mềm Matlab Simulink Đo lường thông số đường dây Trong thực tế, giá trị tính tốn thơng sớ đường dây (tổng trở thứ tự thuận, tổng trở thứ tự không hệ số hỗ cảm đường dây) để chỉnh định cho RLBV sai khác đáng kể so với giá trị thực tế Bởi kết tính tay sử dụng phần mềm chuyên dụng (PSS Shaw PTI, PowerFactory hãng DigSILENT CAPE Electrocon) không xét đến ảnh hưởng nhiều yếu tố kiểu dây dẫn, độ rung độ võng dây dẫn, vỏ bọc cáp, điện trở suất hỗ cảm hai đường dây truyền tải song song… Cho nên làm RLBV làm việc không chọn lọc, tác động sai có sự cớ nằm ngồi vùng bảo vệ, làm ngừng cung cấp điện khách hàng hiển thị sai khoảng cách sự cố [3] Trước đây, phép đo truyền thống tần số lưới (50Hz) để xác định thông số đường dây thường mất nhiều thời gian phép đo thực cách bơm dòng điện có giá trị rất lớn vào đường dây nhằm giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu Do đó, địi hỏi cơng śt máy phát diesel phải rất lớn, thiết bị thí nghiệm phức tạp tốn Để khắc phục nhược điểm này, thiết bị CPC100 + CP CU1 hộp nối đất CP GB1 (hình 1) đã hãng Omicron chế tạo với tính sau [4]: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 - - Phép đo theo tần số đã chọn (khác với tần số lưới 50Hz) thực với dịng thí nghiệm nhỏ, có khả loại trừ nhiễu đường dây mang đến kết thí nghiệm xác Thiết bị cho phép đo đường dây dài lên đến 270km Chức đo lường thiết bị gồm có: Đo lường tổng trở đường dây, Hệ sớ k đường dây không cáp lực; Hỗ cảm đường dây song song; Điện trở nối đất TBA; Điện áp bước điện áp tiếp xúc … Hình Sơ đồ đo trở kháng đường dây Theo tài liệu [3], việc đo lường thông số đường dây 400kV có chiều dài 22km với thời gian tiến hành giờ, dòng 10A, tần số thử nghiệm (30Hz, 50Hz, 70 Hz, 90 Hz 110 Hz) cho kết điện trở điện kháng hình - Nhận xét: Qua kết hình cho thấy: Với dòng điện thử nghiệm nhỏ (10A) tần số 50Hz ảnh hưởng nhiễu đã làm cho kết đo điện trở điện kháng khơng xác Do đó, hãng Omicron khuyến cáo nên sử dụng kết thử nghiệm dòng điện tần số 30Hz, 70 Hz, 90 Hz 110 Hz Sau đó, phần mềm CPC Exploer tính tốn ngoại suy giá trị điện trở (Rcalc) điện kháng (Xcalc) tần số 50Hz cho bảng Điện kháng (X) phụ tḥc tuyến tính vào tần sớ thử nghiệm (tần sớ tăng điện kháng tăng theo) Điện trở (R) không phụ thuộc vào tần số thử nghiệm 0.587 7.128 7.152 85.29 Tổng trở thứ tự không (Z0) 4.623 16.067 16.718 73.95 Nhận xét: với kết bảng cho thấy Z1 có sai sớ nhỏ Z0 có sai sớ khác đến 48% giá trị tính tốn đo thực tế Như vậy, thiết bị đo lường thông số đường dây CPC 100 + CP CU1 hộp nối đất CP GB1 giải pháp tớt nhất, tiết kiệm chi phí để đo trở kháng đường dây, đảm bảo cho việc rơle khoảng cách q dịng có hướng cài đặt đúng, ngăn ngừa tác động không mong muốn RLBV nâng cao đợ xác tính tốn vị trí sự cớ Thuật tốn định vị cố Kết khoảng cách sự cớ hiển thị hình RLBV có xác hay khơng phụ tḥc vào yếu tố: đầu tiên thông số cài đặt RLBV, thứ hai thuật toán định vị sự cố hãng sử dụng giá trị dòng điện, điện áp trước tại thời điểm sự cố 2.1 Tính tốn thơng số chỉnh định RLBV Tính tốn, chỉnh định cài đặt thông số RLBV một khâu quan trọng công tác điều độ hệ thống điện, đảm bảo RLBV tác động tin cậy chọn lọc Đây bước tính tốn cần thiết để sử dụng cho thuật tốn định vị sự cớ mợt rơle Để rõ vấn đề này, phân tích thơng sớ liên quan chức định vị sự cớ với ví dụ điển hình tính chọn thông số cho bảo vệ khoảng cách đoạn đường dây 110kV Quán Ngang – Vĩnh Linh tại Quảng Trị (hình 3) trình bày sau [5]: R [Ω] X [Ω] Z [Ω] Ө[] Tổng trở thứ tự thuận (Z1) 0.542 7.019 7.040 85.58 Tổng trở thứ tự không (Z0) 6.692 23.822 24.744 74.31 Giá trị đo R [Ω] X [Ω] Z [Ω] Ө [0] 110kV Vĩnh Linh F P443 P441 Hình Sơ đồ hệ thống đường dây truyền tải điện 110kV Quán Ngang – Vĩnh Linh - Chiều dài đường dây: 22.5 [km] - Tỷ số biến dòng: 800/1 [A] - Tỷ số biến điện áp: 110000/110 [V] - Tổng trở thứ tự thuận đường dây: Z L1 = 0.199 + j0.518 = 0.555 68.985 [Ω/km] - Bảng So sánh kết đo giá trị chỉnh định rơle Thông số chỉnh định rơle Tổng trở thứ tự thuận (Z1) 110kV Quán Ngang L = 22.5km Hình Đồ thị quan hệ tổng trở đo tần sô (Hz) - 33 Tổng trở thứ tự không đường dây: Z L0 = 0.381 + j1.551 = 1.597 76.188 [Ω/km] Bước 1: Tính tốn giá trị chỉnh định độ lớn góc tổng trở đường dây bảo vệ - Hệ số tổng trở nhị thứ nhất thứ: 800/1 = 0.8 110000/110 - Tổng trở đường dây bảo vệ: 34 Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn 22.5 0.8 0.555 68.985 = 9.999 68.985 0 [Ω] - Do giá trị chỉnh định chọn là: Line impedance: 10 Line angle: 690 Bước 2: Tính tốn giá trị chỉnh định độ lớn góc hệ số bù dư cố chạm đất: kZN = = = Z ZL0 − Z L1 = E 3ZL1 3ZL1 Hình Dạng sóng dịng điện điện áp thời điểm IF = (0.381 + j1.551) - (0.199 + j0.518) (0.199 + j0.518 ) 1.0488 79.985 1.665 68.985 = 0.629 110 Giá trị chỉnh định chọn là: kZN Residual: 0.63 kZN Res Angle: 110 2.2 Thuật toán định vị điểm cố Chức định vị sự cố RLBV hãng Areva (P54x, P127, P44x ) với sơ đồ tính tốn hệ thớng điện hình [6] Ip mZr (1-m)Zr Iq Zp Zq Rf Ep Up Eq If Hình Sơ đồ hệ thống có nguồn cung cấp từ hai phía Điện áp đo rơle đặt tại P: Up = m.IpZr + IfRf (1) Để xác định vị trí sự cớ (m) ta tiến hành thực bước sau: Bước 1: Xác định thành phần vectơ Vp, IpZr cho kiểu cố Sự cố AG: Vp = V A I p Z r = I A Z L1 + I Z E Sự cố AB: Vp = V A – VB I p Z r = I A Z L1 − I B Z L1 Bước 2: Giải phương trình tính vị trí cố Mợt phương pháp đơn giản thường sử dụng nhất để xác định thành phần thực điện áp biến thiên Vp IpZr hệ thống tương tự phương pháp đo giá trị tức thời (dịch pha mợt góc 900 – d) tại điểm triệt tiêu dòng điện sự cố tương ứng (hay If = 0) cho hình Từ liên hệ trên, hai tín hiệu đầu vào dòng điện điện áp với đồ thị cho công thức sau: Vp = |Vp|(cos(s) + jsin(s))*(sin(d) + jcos(d)) = |Vp|[- sin(s-d) + jcos(s-d)] (2) IpZr = |IpZr|(cos(e) + jsin(e))*(sin(d) + jcos(d)) = |IpZr|[- sin(e-d) + jcos(e-d)] (3) Thế (2), (3) vào công thức (1) ta có: m= Vp I p Zr = V p sin(s − d ) I p Z r sin(e − d ) (4) Trong đó: s : góc Vp e : góc IpZr d : góc dòng sự cớ Việc tính tốn giá trị góc sự cớ d dựa dòng điện xếp chồng tại thời điểm sự cố trước lúc sự cố [7]: Đối với trường hợp sự cố AG: d = I f = ( I Af − I f ) Tương tự với sự cố AB: d = I f = ( I Af − I Bf ) Trong đó: - IAf = IA - IApre; IBf = IB – IBpre; I0f = I0 – I0pre - IApre, IBpre IA, IB: dòng điện pha A, B trước tại thời điểm sự cố - I0pre, I0: dòng điện TTK trước tại thời điểm sự cố Kiểm định chức định vị cố rơle Areva 3.1 Kiểm tra chức định vị cố rơle P443 Để kiểm tra chức định vị sự cố ứng dụng thuật tốn đã trình bày tại mục 3.2 rơle P443 (S/N: 045607Z) ngăn lộ 172 TBA 110kV Qn Ngang tại Quảng Trị, Cơng ty thí nghiệm Miền Trung tiến hành thực bước sau: Đầu tiên, sử dụng máy tính có cài đặt phần mềm Micom S1 Agile để cài đặt thông số rơle với giá trị tính tốn từ mục 3.1 (hình 6) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 35 Vc = 6120 I c = 160 Va = 800 I a = 1 − 70 16.67 Vc = 8120 16.62 0.244 I c = 160 Va = 800 Vb = 8 − 120 Vc = 8120 18.12 I a = 1 − 70 Hình Phần mềm giao diện rơle Tiếp đến, sử dụng modun Quick CMC (hình 7) để điều khiển hợp bợ thí nghiệm CMC 356, bơm mô giá trị dòng điện, điện áp sự cố đường dây với giá trị xác định trước vào cổng dòng điện, điện áp RLBV Tương ứng với giá trị bơm, người thí nghiệm tiến hành kiểm tra sai số kết khoảng cách hiển thị rơle P443 (mf) với giá trị khoảng cách sự cớ tính tốn (mt) từ (4) theo công thức: e = m t - m f 100 có nằm L khoảng sai sớ cho phép nhà chế tạo hay khơng (bảng 2) Từ đưa kết luận chức định vị sự cố RLBV đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đưa vào vận hành không 18.28 0.721 I b = 1170 I c = 150 Nhận xét: Sau thử nghiệm mô trường hợp sự cố (AG, BG, CG ABG, BCG, ACG ABC), sai số kết đầu rơle nhỏ 1% 3.2 Kiểm tra chức định vị cố rơle P132 Thực tương tự mục 4.1 cho rơle P132 (SN: 31128841) ngăn lộ 171 TBA 110kV Tuy An tại Phú Yên với thông số sau: - Chiều dài đường dây: 30.2km - Tổng trở thứ tự thuận đường dây: Z L1 = 7.48 68° - Hệ số bù dư: kZN = 0.63 110 Bảng Kết kiểm tra rơle P132 Giá trị bơm Va = 0.6476 0 I a = 1 − 72.25 Vb = 9.088 − 120 I b = 1 − 192 25 Hình Hợp thí nghiệm CMC 356 Vc = 4.263 120 Bảng Kết kiểm tra rơle P443 I c = 1 − 14 25 Giá trị bơm Va = 60 Lt [km] Lf [km] e [%] Va = 29 51 − 47 98 8.163 8.132 0.139 I a = 1 − 38 0 I a = 1 − 70 Vb = 5 − 120 Vb = 29 51 − 72 02 0 I b = 1 − 169 5.464 5.432 0.14 5.442 5.41 0.143 Lf [km] e [%] 1.61 1.5 0.364 22.6 22.7 0.331 7.97 8.7 2.417 24.81 24.7 0.364 4.47 4.4 0.232 12.86 12.4 1.523 I b = 1142 Vb = 28 91 − 176 83 Vc = 4120 I c = 150 Va = 200 I a = 0.6 − 55 Vb = 2 − 120 Vb = 6 − 120 0 I b = 1 − 230 Vc = 28 91176 83 0 5.455 5.23 I c = 1 − 50 Va = 29 47 48 43 I b = 0.8175 I b = 1 − 190 Lt [km] 13.86 13.78 0.336 I a = 1 − 60 Vc = 29 47 71 57 36 Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn I c = 1 − 240 Va = 9.139 00 Vb = 9.139 − 120 Vc = 9.139 120 34.46 I a = 1 − 60 33.9 1.854 I b = 1 − 180 I c = 160 Nhận xét: Kết thử nghiệm (bảng 3) cho thấy trường hợp sự cố (AG, BG, CG AB, BC, AC ABC) có sai sớ kết đầu rơle nhỏ 2.5% Đánh giá phương pháp định vị cố Vì cơng cụ Quick CMC hợp bợ thí nghiệm Omicron dùng để điều khiển bơm dòng điện, điện áp mô giá trị điện trở tại điểm sự cố (RF) để đánh giá công thức (4), tác giả sử dụng phần mềm Matlab Simulink mô đường dây truyền tải 110kV Quán Ngang – Vĩnh Linh hình nhằm đánh giá ảnh hưởng giá trị RF đến kết đầu khoảng cách sự cớ thuật tốn nêu Hệ thớng gồm có: - Đường truyền tải: đường dây truyền tải pha sử dụng có thông số sau: RL1=3.645 (Ω), RL0=7.02 (Ω/km) LL1=29.25 (mH), LL0=87.75 (mH) CL1=0.038 (μF), CL0=0.038 (μF) - Khối đo lường dòng điện điện áp pha - Khối hiển thị số: hiển thị giá trị dạng sự cố vị trí sự cớ - Khới sự cớ ba pha - Khới tốn học để tính tốn chiều dài vị trí sự cớ, cách sử dụng cơng thức (4) mục 3.2 Với 10 loại sự cớ, vị trí điện trở sự cố khác đường dây (1Ω, 10Ω, 20Ω, 30Ω, 40Ω), có thời gian mơ t = 0.07s cho kết bảng Hình Mơ hình hệ thống điện nghiên cứu Bảng Kết mô Kiểu sự cố AG BG CG RF[Ω] Lf [km] L[km] e[%] 20 10 10.37 1.644 30 15 15.39 1.733 1 1.051 0.227 40 20 19.45 2.444 10 5.253 1.124 1 1.043 0.191 20 10 10.37 1.644 10 5.422 1.876 30 15 15.38 1.689 20 10 10.64 2.844 40 20 19.41 2.622 30 15 15.72 3.2 1 1.048 0.213 40 20 19.32 3.022 10 5.249 1.107 1 1.037 0.164 20 10 10.38 1.689 10 5.422 1.876 30 15 15.39 1.733 20 10 10.65 2.889 40 20 19.43 2.533 30 15 15.74 3.289 1 1.048 0.213 40 20 19.36 2.844 10 5.254 1.129 1 1.041 0.182 AB BC TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(78).2014 AC ABG BCG ACG ABC 10 5.429 1.907 20 10 10.65 2.889 30 15 15.74 3.289 40 20 19.33 2.978 1 1.043 0.191 10 5.422 1.876 20 10 10.64 2.844 30 15 15.72 3.2 40 20 19.32 3.022 1 1.037 0.164 10 5.422 1.876 20 10 10.65 2.889 30 15 15.74 3.289 40 20 19.36 2.844 1 1.041 0.182 10 5.429 1.907 20 10 10.65 2.889 30 15 15.74 3.289 40 20 19.33 2.978 1 1.043 0.191 10 5.422 1.876 20 10 10.65 2.889 30 15 15.74 3.289 40 20 19.36 2.844 Nhận xét: phương pháp định vị sự cớ có sai sớ lớn nhất 3.289% xảy sự cố BC, BCG, AC ACG với RF = 30Ω sai số nhỏ nhất 0.164% có sự cớ BC, BCG với RF = 1Ω Kết luận Tại Việt Nam, tất RLBV sử dụng đường dây truyền tải điện đã thay RLBV kỹ thuật số có tích hợp chức định vị sự cớ Tuy nhiên, với tính chất phức tạp sự cớ, ảnh hưởng nhiều 37 tham số, sự không đầy đủ số liệu đo thực tế đã làm cho việc xác định vị trí sự cớ để sửa chữa, khơi phục lại hệ thớng điện gặp nhiều khó khăn Qua kết nghiên cứu, chúng tơi có đánh giá đề xuất cần lưu ý như: - Đề xuất sử dụng thiết bị đo lường thông số đường dây CPC 100 + CP CU1 hộp nới đất CP GB1 nhằm giúp cho việc tính tốn, chỉnh định thơng sớ cài đặt RLBV xác - Sau tính tốn thơng sớ chỉnh định cài đặt cho RLBV, sử dụng hợp bợ thí nghiệm CMC 356 để thử nghiệm so sánh kết đầu RLBV với tiêu chuẩn kỹ thuật, sai số nhà sản x́t (ví dụ đới với Areva P132, P443 < 2.5%) Việc phân tích đánh giá khả làm việc chức định vị sự cố một chủng loại rơle rất cần thiết với kết đã trình bày báo giúp cho nhà kỹ thuật nắm bắt vấn đề tiềm ẩn nhằm khắc phục để xác định khoảng cách sự cớ xác Kết mô đường dây 110kV Quán NgangVĩnh Linh cho phép đánh giá yếu tố ảnh hưởng khác (điện trở sự cố, thời điểm sự cố, kiểu sự cớ) tác đợng đến cấp xác thuật tốn định vị sự cớ Qua phân tích thấy yếu tớ điện trở sự cớ có giá trị lớn làm thuật tốn tồn tại sai sớ tính tốn lớn (đới với Areva 3.289%) Đây vấn đề khó khăn đặt đới với nhiều chủng loại rơ le hướng mở cho việc nghiên cứu thuật tốn để cải thiện cấp xác phép tính Tài liệu tham khảo [1] Karl Zimmerman and David Costello (2004), Impedance-Based Fault Locating Experience, Schweitzer Engineering Laboratories [2] Le Kim Hung, Vu Phan Huan, A Studying Of Single Ended Fault Locator On SEL Relay, Proceedings of the IETEC’13 Conference, Ho Chi Minh City, Vietnam, 3/6 November 2013 ISBN: 978-0646-59658-7 [3] Alexander Dierks, Harry Troskie, Michael Krüger, Accurate Calculation And Physical Measurement of Trasmission Line Parameters to Improve Impedance Relay Performance, Inaugural IEEE PES 2005 Conference and Exposition in Africa, Durban, South Africa, 11-15 July 2005 [4] Omicron (2012), CP CU1 Multifunctional coupling unit for the CPC 100 [5] Areva, P54x Curent Differential Relay, Technical Manual, 2013 [6] Areva, Feeder Management and Bay Control P132, 2010 [7] Gec Alsthom, Optimho Distance Protection relay type LFZP 111 114, 2002 (BBT nhận bài: 15/04/2014, phản biện xong: 09/05/2014)