Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.Định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.

Giớithiệu chung

Đặtvấnđề

Đường dây truyền tải điện là một trong những phần tử rất quan trọng giữ vai trò đảm bảo sự liên lạc giữa các nguồn và các phụ tải điện Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua đã dẫn đến sự tăng nhanh về số lượng của các đường dây truyền tải ở các cấp điện áp cũng như tổng chiều dài của đường dây truyềntải.

Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, lưới điện Việt Nam đã không ngừng mở rộng thể hiện quy mô phát triển, sự lớn mạnh của ngành kinh tế mũi nhọn, đảm bảo cung cấp điện ngày càng tin cậy và hiệu quả hơn cho phát triển đấtnước.

Trong quá trình vận hành, đường dây truyền tải có thể gặp những sự cố như sét đánh, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, sự cố từ bản thân các thiết bị, sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị Trong đó, sự cố ngắn mạch được xem là phổ biến và được tập trung xem xét và nghiên cứu trong luận án này Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên đường dây, rơ-le bảo vệ sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Như vậy, quá trình phát hiện, nhận dạng, cách ly và xác định chính xác vị trí sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các khách hàng sử dụngđiện. Để định vị sự cố trên đường dây truyền tải, có thể dựa vào thông tin ghi khoảng cách điểm sự cố ngắn mạch của rơ-le khoảng cách Tuy nhiên, giải pháp này thông thường có sai số khálớn.

Các phân tích trên cho thấy rằng việc nghiên cứu nghiêm túc bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải là quan trọng và cần thiết.

Luận án tiến sĩ được thực hiện trên cơ sở tổng quan các nghiên cứu liên quan đến các kỹ thuật định vị sự cố đến đường dây truyền tải bao gồm kỹ thuật bơm xung phản xạ, kỹ thuật dựa trên các giá trị dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản, kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền và kỹ thuật dựa trên các mạng nơ-rôn nhân tạo và mạng wavelet; và đề xuất một phương pháp luận mới cho bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải bằng cách biến đổi bài toán định vị sự cố thành bài toán tối ưu hóa tương ứng với hàm mục tiêu là điện áp tại vị trí sự cố ngắn mạch và các ràng buộc.

Thêm vào đó, các thuật toán meta-heuristics như thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, thuật toán tìm kiếm chim tu hú và thuật toán bầy ong nhân tạo được đề xuất cải tiến và áp dụng để giải bài toán tối ưu hóa.

Khi ấy, lời giải của bài toán tối ưu hóa chính là vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải.

Phương pháp luận định vị sự cố ngắn mạch đề xuất được áp dụng cho các cấu trúc đường dây truyền tải khác nhau như:

+ Đường dây truyền tải hai đầu cực;

+ Đường dây truyền tải rẽ nhánh;

+ Đường dây truyền tải có tụ bù dọc;

+ Đường dây truyền tải mạch kép;

+ Đường dây truyền tải có kết nối với nguồn điện năng lượng mặt trời. Các sự cố ngắn mạch trên các đường dây truyền tải được giả sử với các khoảng cách khác nhau tương ứng với các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau như:

+ Ngắn mạch 3 pha chạm đất;

Các kết quả áp dụng đạt được chính xác và nhanh chứng minh tính đúng đắn của đề xuất cho bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải với nhiều cấu trúc đường dây khác nhau, cũng như nhiều kịch bản vận hành khác nhau của đường dây truyền tải.

Tínhcấpthiết

Việc xác định chính xác vị trí sự cố trên đường dây truyền tải mang một ý nghĩa quan trọng đối với hệ thống điện truyền tải Kết quả định vị sự cố càng chính xác và càng nhanh sẽ càng có lợi trong việc hỗ trợ khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện đối với các sự cố duy trì, giảm nhân công huy động tìm kiếm vị trí sự cố, giảm thiệt hại về kinh tế và góp phần nâng cao độ tin cậy của lưới điện truyền tải. Các phân tích này cho thấy rằng bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải luôn luôn cấp thiết và quan trọng Kết quả đạt được của bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải quyết định hiệu quả vận hành của đường dây truyền tải nói riêng và hệ thống truyền tải nóichung.

Mục tiêunghiêncứu

Mục tiêu chung của luận án là định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải.

Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:

+ Định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải tương ứng với các cấu trúc đường dây truyền tải khác nhau;

+ Định vị sự cố ngắn mạch tại các vị trí ngắn mạch khác nhau và ngẫu nhiên trên các đường dây truyền tải;

+ Định vị sự cố ngắn mạch tương ứng với các dạng ngắn mạch khác nhau;

+ Kết quả định vị sự cố ngắn mạch chính xác và nhanh.

Đối tượngnghiêncứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là:

+ Các đường dây truyền tải 220kV và 500kV tương ứng với các cấu trúc khác nhau và các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau;

+ Các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải.

Phạm vinghiêncứu

Phạm vi nghiên cứu của luận án là:

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải tương ứng với các cấu trúc khác nhau và các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau;

+ Nghiên cứu đề xuất các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải tương ứng với mô hình toán đã được xây dựng;

+ Nghiên cứu áp dụng và mô phỏng kỹ thuật đề xuất định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải tương ứng với mô hình toán đã được xây dựng và thuật toán đã được đề xuất.

Phương phápnghiêncứu

Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu và đề xuất kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải được thực hiện dựa trên việc tổng quan các tài liệu, các nghiên cứu và các kết quả đạt được của các kỹ thuật định vị sự cố trên đường dây truyền tải đang được áp dụng Từ đó, luận án đề xuất kỹ thuật định vị sự cố mới khắc phục được các nhược điểm của các kỹ thuật đang được áp dụng định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyềntải.

Ý nghĩa khoa học vàthực tiễn

Luận án đề xuất một kỹ thuật mới để định vị sự cố ngắn mạch trên các cấu trúc đường dây truyền tải khác nhau mà bao gồm: đường dây truyền tải hai đầu cực; đường dây truyền tải có nhánh rẽ; đường dây truyền tải có đặt tụ bù cố định; đường dây truyền tải mạch kép; và đường dây truyền tải có kết nối với nguồn điện năng lượng mặt trời Kỹ thuật mới định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải đề xuất thực hiện chuyển đổi bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải thành bài toán tối ưu hóa và kết quả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải là lời giải của bài toán tối ưu hóa Rõ ràng rằng đề xuất này mang một ý nghĩa khoa học và khắc phục được các nhược điểm của các kỹ thuật đang được sử dụng khi không phải sử dụng thêm các thiết bị đo lường chuyên dụng và không mang nhiều áp lực tính toán nhưng vẫn đáp ứng được mục tiêu đạt được kết quả định vị sự cố chính xác vànhanh.

Mặt khác, để thực hiện giải bài toán tối ưu hóa, luận án đề xuất sử dụng các thuật toán meta-heuristic bao gồm thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, thuật toán tìm kiếm chim tu hú và thuật toán bầy ong nhântạo.Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng các thuật toánnàyhiện đại, hiệu quả và tin cậy trong việc giải các bài toán tối ưu hóa Các kết quả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải đạt được trong luận án này một lần nữa khẳng định tính hiệu quả củachúng.

Kỹ thuật đề xuất định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải có ý nghĩa thực tiễn cao; đặc biệt, có thể áp dụng để định vị sự cố ngắn mạch trên nhiều dạng cấu trúc đường dây truyền tải tương ứng với các dạng sự cố ngắn mạch và các vị trí ngắn mạch khác nhau Điều này thể hiện tính thực tiễn cao. Đề xuất này cũng là một trong những giải pháp giúp cải thiện và nâng cao hiệu quả vận hành của đường dây truyền tải khi xác định chính xác và nhanh vị trí xảy ra sự cố ngắn mạch.

Kết cấu củaluậnán

Luận án sẽ được bố cục với các nội dung cụ thể nhằm làm rõ các hạn chế của các kỹ thuật đang được áp dụng, cũng như chi tiết hóa kỹ thuật đề xuất định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyềntải.

Kết cấu của luận án sẽ được thể hiện qua các nội dung như sau:

+ Chương 2 – Tổng quan nghiên cứu

+ Chương 3 – Cơ sở lý thuyết định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải

+ Chương 4 – Định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải sử dụng các thuật toán meta-heuristic

+ Chương 5 – Kết quả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải sử dụng các thuật toán meta-heuristic

+ Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển tương lai

Tổng quannghiêncứu

Giớithiệu

Hệ thống truyền tải nói chung và đường dây truyền tải nói riêng là một trong những phần tử chính của một hệ thống điện Việc xác định chính xác vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải mang một ý nghĩa quan trọng đối với hệ thống truyền tải Việc định vị sự cố ngắn mạch càng chính xác và càng nhanh sẽ càng có lợi trong việc hỗ trợ khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thời gian ngừng cung cấp điện đối với các sự cố ngắn mạch duy trì, giảm nhân công huy động tìm kiếm vị trí sự cố ngắn mạch, giảm thiệt hại về kinh tế và góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyềntải. Để thực hiện nhiệm vụ định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, cũng như có nhiều thiết bị đã được chế tạo dựa trên các kết quả đạt được của nghiên cứu này Các kỹ thuật đã được nghiên cứu và áp dụng bao gồm [1]-[2]:

+ Kỹ thuật bơm xung phản xạ;

+ Kỹ thuật dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản mà chủ yếu liên quan đến việc đo lường tổng trở;

+ Kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền; và

+ Kỹ thuật dựa trên các mạng nơ-rôn nhân tạo, biến đổi wavelet, học máy và máy véc-tơ hỗ trợ.

Kỹ thuật bơm xungphảnxạ

Trong các kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch, kỹ thuật bơm xung phản xạ vào đoạn đường dây bị sự cố ngắn mạch là một trong những kỹ thuật kinh điển được các nhà khoa học nghiên cứu và đưa vào áp dụng từ rất sớm bằng việc sử dụng máy phát xung cao áp và đáp ứng ngõ ra thu được từ máy phát xung cao áp này có thể được sử dụng để xác định vị trí sự cố ngắn mạch [3]-[4].

Kỹ thuật này phân tích sóng phản hồi chủ động trong miền thời gian và tần số, cũng như phân tích hàm tương quan giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu phản hồi để xác định thời điểm có sóng phản hồi Dựa vào thời điểm này, vị trí sự cố ngắn mạch sẽ được xác định [5]-[6].

Kỹ thuật dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơbản

Kỹ thuật dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản đặt cơ sở bởi việc xác định tổng trở từ vị trí đặt rơ-le đến vị trí sự cố ngắn mạch, cùng giả thuyết rằng tổng trở tỉ lệ với khoảng cách từ vị trí đặt rơ-le đến vị trí xảy ra sự cố ngắn mạch[7]-[9].

Kỹ thuật này phụ thuộc vào việc đo tần số cơ bản và các thành phần tác động đến tần số như điện trở ngắn mạch, tải của đường dây, thông số nguồn,

Vì vậy, mức độ chính xác của kỹ thuật này có giới hạn [10]-[17].

2.3.1 Tổng quan các nghiên cứu của kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơbản

A S Maner và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch cho đường dây truyền tải trên không với dữ liệu được thu thập từ cả hai đầu đường dây [11] Rơ-le số ước lượng vị trí sự cố ngắn mạch từ một đầu dữ liệu mà không cần bù các ảnh hưởng của điện trở sự cố ngắn mạch; ngoài ra, cũng không xem xét đến các tác động của nguồn từ xa Ảnh hưởng của các nguồn từ xa sẽ dẫn đến các sai số định vị sự cố ngắn mạch, đặc biệt trong trường hợp sự cố ngắn mạch chạm đất Kết quả định vị không chính xác làm tăng thời gian tìm sự cố ngắn mạch, chi phí vận hành và ảnh hưởng đến chỉ số độ tin cậy, cũng như tính sẳn sàng của hệ thống truyền tải Sai số có thể được giảm bằng cách sử dụng hai dữ liệu tại hai đầu đường dây Kỹ thuật này được

A S Maner và các cộng sự phát triển dựa vào điện áp và cường độ dòng điện được thu thập từ hai đầu đường dây và không cần được đồng bộ Vị trí sự cố ngắn mạch được ước lượng trên cơ sở sơ đồ thay thế thứ tự thuận với các giá trị của điện áp và cường độ dòng điện.

* Kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch với các dữ liệu được thu thập từ một đầu đường dây:

Kỹ thuật này chính là kỹ thuật đo lường tổng trở và vị trí sự cố ngắn mạch sẽ được xác định trên cơ sở tổng trở được đo lường Theo các kết quả nghiên cứu, kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch với các dữ liệu được thu thập từ một đầu đường dây xác định vị trí sự cố ngắn mạch khá chính xác cho trường hợp sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau Tuy nhiên, kết quả định vị sẽ có sai số đáng kể trong trường hợp sự cố ngắn mạch một pha chạmđất.

Hình 2.1 Mô tả sự cố ngắn mạch hai pha

Hình 2.2 Mô tả sự cố ngắn mạch một pha

Hình 2.1 mô tả trường hợp sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau Trong đó, tổng trở từ đầu nguồn đến vị trí xảy ra sự cố ngắn mạch chỉ bao gồm tổng trở của các dây dẫn và nó tỷ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn từ nguồn đến vị trí xảy ra sự cố ngắn mạch.

Tuy nhiên, trong trường hợp sự cố ngắn mạch một pha chạm đất, Hình2.2, dòng điện sự cố ngắn mạch có đường dẫn trở lại đất và không thông qua dây dẫn Đường dẫn trả về được biểu diễn bởi một tổng trở biến đổi với điện trở hồ quang, điện trở chân trụ điện, điện trở đất, v.v Rõ ràng rằng tổng trở này không tỷ lệ thuận với khoảng cách nếu đất không phải 100% cùng mộtcấu l

Er a) Sơ đồ thay thế tương đương thứ tự thuận

V s Điện áp (kV) V f trúc Vì vậy, phải xấp xỉ tổng trở của đất tương ứng với một giá trị trung bình. Đây chính là lý do dẫn đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch có sai số đáng kể.

* Kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch với các dữ liệu được thu thập từ hai đầu đường dây:

Kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch với các dữ liệu được thu thập từ hai đầu đường dây được giới thiệu bởi E G Silveira và các cộng sự vào năm 2007 [7].

Kỹ thuật này sử dụng các giá trị của điện áp và dòng điện 3 pha thu thập được từ cả hai đầu cuối của đường dây truyền tải.

Khoảng cách (km) b) Đặc tuyến điện áp thứ tự thuận và khoảng cách Hình 2.3 Mô tả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải với các dữ liệu được thu thập từ hai đầu đường dây

Các thành phần thứ tự được tính toán từ các giá trị của điện áp và dòng ba pha không cân bằng sau sự cố ngắn mạch tại hai đầu cuối của đường dây truyền tải Tập hợp các giá trị của điện áp tại hai đầu cuối của đường dây truyền tải từ sơ đồ thay thế thứ tự thuận, Hình 2.3.a được thu thập và biểu diễn trên Hình 2.3.b Từ giao điểm của hai đặc tuyến điện áp và khoảng cách này, vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải sẽ được xác định Các kết quả mô phỏng được so sánh với các kịch bản của các vị trí sự cố ngắn mạch khác nhau Độ chính xác của lần lượt mỗi kỹ thuật định vị bao gồm kỹ thuật sử dụng một đầu và hai đầu dữ liệu được so sánh và cho thấy rằng kỹ thuật hai đầu dữ liệu chính xác hơn so với kỹ thuật một đầu dữ liệu vì nó không bị ảnh hưởng bởi điện trở và điện kháng sự cố ngắnmạch.

M N Hashim và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật trích lọc các đặc điểm của kỹ thuật dựa trên tổng trở hoặc chỉ lấy dòng điện sự cố ngắn mạch làm tín hiệu ngõ vào cho mạng nơ-rôn nhân tạo hoặc tất cả dòng điện ba pha [10] Hiệu quả của việc phát triển hệ thống được so sánh và quyết định để lựa chọn các tính năng phù hợp cho bài toán định vị sự cố ngắn mạch Nghiên cứu này đã được trích xuất 5 tính năng từ ba giai đoạn đó là độ lệch cực tiểu-cực đại, biên độ, giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và năng lượng của dạng sóng đầu ra Nghiên cứu này nhằm mục đích phân tích hiệu quả của các tính năng điều kiện trích xuất cho một đường dây bị sự cố ngắn mạch và ba đường dây của sự cố ngắn mạch đường dây truyền tải trong việc định vị sự cố ngắn mạch sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo theo kỹ thuật dựa trên tổng trở Khi ấy, so sánh kết quả thu được để xác định điều kiện trích xuất các tính năng phù hợp cho định vị sự cố ngắn mạch Nghiên cứu này được giới hạn đối với kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch sử dụng kỹ thuật một đầu dữ liệu Nghiên cứu dựa trên 740 dữ liệu thực nghiệm được giả lập cho việc huấn luyện dữ liệu, phê duyệt và thử nghiệm mạng nơ-rôn nhân tạo Chiều dài của đường dây truyền tải là 100 km với cấp điện áp 115 kV và 50 Hz Thuật toán định vị sự cố ngắn mạch theo kỹ thuật tổng trở được dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo được mô tả lần lượt theo các bước nhưsau:

+ Mô tả và vận hành đường dây truyền tải để thu thập dữ liệu;

Mạng nơ-rôn nhân tạo

+ Thu thập và chuẩn hóa dữ liệu Nhận thấy rằng khối lượng dữ liệu thu thập được là rất lớn; vì vậy, quá trình chuẩn hóa dữ liệu là thật sự cần thiết để tránh trường hợp mạng nơ-rôn nhân tạo mất quá nhiều thời gian đề định vị sự cố ngắn mạch.

+ Trích dẫn các đặc điểm từ đường dây bị sự cố ngắn mạch hoặc trích dẫn các đặc điểm từ 3 đường dây;

+ Định vị sự cố ngắn mạch sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo;

+ Đánh giá kết quả định vị sự cố ngắn mạch.

Sự cố mạch ngắn Hình 2.4 Mô hình đường dây truyền tải 2 mạch trong nghiên cứu của M N.

Hashim và các cộng sự

Dòngngắn mạch Vị trí ngắnmạch

Hình 2.5 Sơ đồ khối cho cấu trúc của mạng nơ-rôn nhân tạo trong nghiên cứu định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải của M N Hashim và các cộng sựMạng nơ-rôn nhân tạo

Dữ liệu được thu thập từ các dòng điện dây ba pha (Ia, Ibvà Ic) và tríchxuất thành một số tính năng.

Nghiên cứu này thực hiện 10 dạng sự cố ngắn mạch mà bao gồm:

+ 3 dạng sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất;

+ 3 dạng sự cố ngắn mạch 2 pha chạm nhau;

+ 3 dạng sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất; và

+ 1 dạng sự cố ngắn mạch 3 pha chạm đất.

Hình 2.5 là sơ đồ khối cho cấu trúc của mạng nơ-rôn nhân tạo tương ứng cho mỗi dạng sự cố ngắn mạch khác nhau Nghiên cứu này đã xây dựng 10 mạng nơ-rôn để biểu diễn cho 10 dạng sự cố ngắn mạch khác nhau nhằm phục vụ cho bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải Trong đó, Hình 2.5.a là cấu trúc sử dụng cho một đường dâyb ị s ự c ố n g ắ n m ạ c h v à

Kỹ thuật dựa trên hiện tượngsóng truyền

Kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải sử dụng kỹ thuật phân tích sóng truyền được nghiên cứu trong những năm gần đây Khi xuất hiện sự cố ngắn mạch tại một điểm nào đó trên đường dây truyền tải, dưới tác động của sự thay đổi đột ngột của tổng trở hệ thống đã làm xuất hiện các nhiễu hài cao tần lan truyền trên toàn bộ đường dây Với các thiết bị chuyên dụng đo các xung nhiễu cao tần và qua quá trình phân tích Fourier cho các sóng thu được đã xác định được tần số và biên độ của các sóng nhiễu hài cao tần hay các sóng hồi tiếp về đầu đường dây từ vị trí sự cố ngắn mạch. Đối với mỗi vị trí sự cố ngắn mạch khác nhau, tần số và biên độ sóng phản hồi về đầu nguồn là khác nhau Dựa trên sự khác nhau này, các thiết bị sẽ xác định được dạng và vị trí sự cố ngắn mạch.

Kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền chính xác hơn kỹ thuật dựa trên các giá trị dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản do không phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch, phụ tải và các thông số nguồn trước sự cố ngắnmạch.

Kỹ thuật phân tích sóng truyền là kỹ thuật được chú ý phát triển cùng với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của cáckỹthuật đo lường chính xác cao trong lĩnh vực điện tử Kỹ thuật này có độ chính xác rất cao với sự trợ giúp hữu hiệu của các thiết bị đo tiên tiến, cùng với các phép biến đổi toán học như phép biến đổi Clark và phép biến đổi Fourier Tuy nhiên, các thiết bị này nhìn chung có giá thành còn quá cao do yêu cầukỹthuật khắc khe khi phải đo lường tại các tần số nhiễu hài cao nên hầu như không thể triển khai lắp đặt đại trà cho lướiđiện.

Nhận thấy rằng do có sự suy giảm mạnh mẽ của sóng truyền, kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch hai đầu đường dây có các sai số đáng kể khi áp dụng cho các đường truyền tải nửa bước sóng điện áp xoay chiều siêu cao áp Để giải quyết vấn đề này, P Nan và các cộng sự đã trình bày một kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch mà được dựa trên các nguyên lý suy giảm, khúc xạ và phản xạ của sóng truyền điện áp chế độ trên không [26] Trong kỹ thuật này, phân đoạn bị sự cố ngắn mạch của đường dây truyền tải nửa bước sóng điện áp xoay chiều siêu cao áp đầu tiên được xác định theo tỷ lệ biên độ tích lũy của các thành phần tần số được xác định trước của sóng truyền điện áp chế độ trên không một cách không đồng bộ mà được lấy mẫu tại hai đầu của đường dây Khi ấy, năng lượng Teager của hai mặt sóng đầu tiên của sóng truyền điện áp chế độ trên không được đo tại thiết bị đầu cuối trong phân đoạn đường dây bị sự cố ngắn mạch, sẽ được sử dụng để xác định hai yếu tố cho việc lựa chọn kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch chính xác phù hợp Cuối cùng, kỹ thuật sóng truyền một đầu được áp dụng để định vị các sự cố ngắn mạch gần thiết bị đầu cuối đường dây Kỹ thuật hai đầu được trình bày sử dụng tỷ lệ biên độ của sóng truyền điện ápchếđộtrênkhôngđểđịnhvịcácsựcốngắnmạchcáchxathiếtbịđầucuối đường dây Trong nghiên cứu này, mô hình đường dây truyền tải nửa bước sóng điện áp xoay chiều siêu cao áp, 1000 kV được khảo sát với các điều kiện sự cố ngắn mạch khác nhau trong mô phỏng PSCAD/EMTDC Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy rằng kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch này là chính xác; đặc biệt, không phụ thuộc vào khoảng cách sự cố ngắn mạch, loại sự cố ngắn mạch, tổng trở sự cố ngắn mạch và các góc bắt đầu sự cố ngắnmạch.

V Vanitha và các cộng sự đã giới thiệu thuật toán để phát hiện sự cố ngắn mạch, phân loại sự cố ngắn mạch và định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải bằng phép biến đổi wavelet rời rạc và lý thuyết sóng truyền [65]. Một hệ thống điện 2 nút được khảo sát tương ứng với các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau được giả lập trên đường dây truyền tải Khi ấy, phép biến đổi wavelet rời rạc được áp dụng để phân tích cho các tín hiệu dòng điện sự cố ngắn mạch để trích xuất các hệ số được chi tiết ở mức phân tách cao hơn mà lần lượt được sử dụng để phân loại sự cố ngắn mạch Để định vị sự cố ngắn mạch, các hệ số được chi tiết ở cấp độ phân tách đầu tiên và lý thuyết sóng truyền được sử dụng Kết quả thu được cho thấy được độ chính xác của thuật toán này trong việc phân loại và định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyềntải.

O D Naidu và các cộng sự đã trình bày kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch dựa trên hiện tượng sóng truyền cho các đường dây truyền tải thông qua các đo lường của giá trị cường độ dòng điện không đồng bộ tại hai đầu đường dây từ các thiết bị điện tử thông minh [27] Trong nghiên cứu này, hai lời giải định vị sự cố ngắn mạch khả thi được xác định bằng việc sử dụng thời gian đến của hai sóng truyền đầu tiên được ghi nhận tại cả hai thiết bị đầu cuối Sau đó, vị trí sự cố ngắn mạch chính xác được xác định dựa trên hai thông tin của mỗi nửa phân đoạn bị sự cố ngắn mạch Việc xác định một nửa phân đoạn bị sự cố ngắn mạch được hoàn thành bằng cách so sánh thời gian bắt đầu của sóng truyền đầu tiên được thu thập được ở cả hai đầu của đường dây truyền tải. Trong nghiên cứu này, giải pháp không yêu cầu đồng bộ hóa GPS và các thử nghiệm là để hiệu chỉnh các độ trễ không đối xứng khác nhau và sai số đồng bộ Kỹ thuật được thử nghiệm trên đường truyền tải 220kV bằng phần mềmmô phỏng EMTDC/PSCAD với các mô hình pha phụ thuộc tần số Kỹ thuật này có thể định vị các sự cố ngắn mạch bằng cách sử dụng các dữ liệu không đồng bộ với các độ trễ không đối xứng khác nhau Trong khi đó, các kỹ thuật kinh điển khác chỉ thực hiện định vị sự cố ngắn mạch với các dữ liệu được đồng bộ với độ trễ đối xứng Hiệu quả của kỹ thuật này được đánh giá tương ứng với các kịch bản sự cố ngắn mạch khácnhau.

Kỹ thuật này thể hiện độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu cao, bền vững đối với các góc khởi động sự cố ngắn mạch và các sự cố ngắn mạch tổng trở cao.

Kết quả đạt được được so sánh với các kỹ thuật hai đầu cuối kinh điển cho một đường dây truyền tải.

Liên quan đến sai số định vị sự cố ngắn mạch trên diện rộng của các kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch dựa trên hiện tượng sóng truyền mà gây ra bởi phân đoạn đường dây truyền tải ngắn nhất của sóng truyền đầu tiên và vận tốc sóng truyền không chính xác, R Chen và các cộng sự đã nghiên cứu và giới thiệu kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch cho các hệ thống truyền tải phức tạp dựa trên sự khác biệt về thời gian của sóng truyền đến trên diện rộng [28] Đầu tiên, phân đoạn đường dây truyền tải ngắn nhất trong hệ thống truyền tải kín được xác định trực tuyến bằng cách sử dụng sai lệch thời gian của sóng truyền đến đầu tiên mà được đo lường ở cả hai đầu của đường dây bị sự cố ngắn mạch Sau đó, vận tốc sóng truyền và khoảng cách phân đoạn bị sự cố ngắn mạch chính xác sẽ được tính toán bằng cách hợp nhất thời gian đến của sóng truyền ban đầu diện rộng thông qua ước lượng bình phương nhỏ nhất Sóng truyền dòng điện pha và phép biến đổi S được sử dụng để phát hiện thời gian đến của sóng truyền dòng điện pha tại tần số Nyquist Kỹ thuật này không cần thực hiện phép biến đổi chế độ pha, cũng như sự phù hợp giữa điều kiện sự cố ngắn mạch thực tế và phân đoạn đường dây truyền tải ngắn nhất được xác định trước đó Kỹ thuật này cũng có thể tính toán chính xác vị trí sự cố ngắn mạch mà không cần đến vận tốc của sóngtruyền.

F V Lopes và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch dựa trên hiện tượng sóng truyền cho các đường dây truyền tải đồng nhất

[29] Kỹ thuật này giới thiệu các cải tiến nhằm tăng độ chính xác cho việc định vị vị trí sự cố ngắn mạch trong các kịch bản của hệ thống truyền tải thực tế bằng cách loại bỏ các ảnh hưởng của các thông số đường dây và các sai số đồng bộ hóa thời gian dữ liệu Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng giới thiệu một phần mềm thương mại được sử dụng cho phân tích sóng truyền mà có thể xem như là một công cụ hỗ trợ Các kết quả định vị sự cố ngắn mạch dựa trên kỹ thuật sóng truyền mô phỏng và thực tế được so sánh và đánh giá mà cho thấy rằng kỹ thuật này cũng là một kết quả nghiên cứu đáng tin cậy cho ứng dụng định vị sự cố ngắn mạch của đường dây truyềntải.

H A Abd el-Ghany và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch cho một kịch bản tương ứng với trường hợp một sự cố ngắn mạch độc lập và nhiều sự cố ngắn mạch xảy ra đồng thời Kỹ thuật này là sự kết hợp giữa các kỹ thuật một đầu cuối, hai đầu cuối và sóng truyền cho định vị sự cố ngắn mạch trên một đường dây truyền tải 500 kV Phần mềm ATP-EMTP và công cụ biến đổi wavelet của Matlab được sử dụng để triển khai cho kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch, đồng thời các phân tích liên quan đến tín hiệu quá độ cũng được thực hiện ngay sau khi các sự cố ngắn mạch xảy ra [30].

R Liang và các cộng sự đã giới thiệu một kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch bằng việc sử dụng các thông tin của sự khác biệt về thời gian đến của các sóng truyền phương thức mà được lấy mẫu một cách không đồng bộ trong hệ thống [31] Đầu tiên, khu vực sự cố ngắn mạch được xác định bằng cách tìm kiếm sự khác biệt về thời gian đến tối thiểu của các sóng truyền thuộc về phương thức Sau đó, bằng cách áp dụng kỹ thuật điểm sự cố ngắn mạch giả định trong vùng sự cố ngắn mạch, chênh lệch tích lũy tối thiểu được sử dụng để phát hiện đường dây bị sự cố ngắn mạch Cuối cùng, vị trí sự cố ngắn mạch chính xác được ước lượng bằng cách tìm ra lời giải của hàm mục tiêu theo khoảng tuyệt đối giữa vị trí sự cố ngắn mạch và các vị trí sự cố ngắn mạch khác Các kịch bản mô phỏng khác nhau được khảo sát cho một hệ thống điệnIEEE 30 nút Các kết quả tính toán cho thấy rằng kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch này không bị ảnh hưởng bởi tổng trở sự cố ngắn mạch, góc khởi động, vị trí và nhiễu tương ứng với một mức độ nhất định nào đó Có thể nhận thấyrằng độ nhạy, tính chọn lọc, tốc độ hoạt động và độ tin cậy của các sơ đồ bảo vệ so lệch thông thường bị ảnh hưởng và giới hạn bởi điện dung song song phân tán của đường dây truyền tải dài cao áp.

S Gangolu và các cộng sự đã giới thiệu một thuật toán bảo vệ thử nghiệm mà được dựa trên việc tính toán sự thay đổi của điện dẫn đường dây song song, trong các điều kiện quá độ với các dữ liệu được đồng bộ hóa [32].

Do đó, kỹ thuật này không yêu cầu một kỹ thuật bù độc lập để vô hiệu hóa ảnh hưởng của dòng điện nạp đường dây trong quá trình phát hiện sự cố ngắn mạch Theo các phân tích, kỹ thuật này phân biệt một cách nhanh chóng các sự cố ngắn mạch nội bộ và phát hiện mỗi giai đoạn sự cố ngắn mạch Kỹ thuậtnàycó ưu điểm là có thể ước lượng vị trí sự cố ngắn mạch một cách chính xác Hiệu quả của kỹ thuật này được mô phỏng cho một hệ thống điện 2 nút, 400kV, 50Hz và một hệ thống điện IEEE 39 nút, 345kV, 50Hz Các kết quả mô phỏng xác nhận kỹ thuật này có thể phân biệt một cách hiệu quả các sự cố ngắn mạch mà không phụ thuộc vào vị trí sự cố ngắn mạch, điện trở sự cố ngắn mạch, loại sự cố ngắn mạch, tổng trở nguồn và các đường dây bù nốitiếp.

G Kim và các cộng sự đã mô tả việc sử dụng phép biến đổi wavelet để phân tích quá độ hệ thống điện và trên cơ sở đó, xác định vị trí sự cố ngắn mạch Các mẫu dữ liệu được đồng bộ dựa trên hệ thống tham chiếu thời gian GPS và các mẫu dữ liệu được phân tích bằng phép biến đổi wavelet [55].

Kỹ thuật dựa trên các mạng nơ-rôn nhân tạo và biếnđổiwavelet

Trên cơ sở các kỹ thuật bơm xung phản xạ, kỹ thuật tổng trở, và kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền, để nâng cao hơn nữa độ chính xác của các kết quả định vị, cũng như tốc độ định vị, các công cụ toán học lần lượt được giới thiệu, được kết hợp và áp dụng cho định vị sự cố ngắn mạch của đường dây truyền tải Các công cụ này có thể được liệt kê lần lượt bao gồm:

+ Mạng nơ-rôn nhân tạo;

+ Mạng nơ-rôn nhân tạo kết hợp cùng phép biến đổi wavelet;

+ Máy véc-tơ hỗ trợ.

R Resmi và các cộng sự đã trình bày thuật toán để phát hiện các trường hợp sự cố ngắn mạch không đối xứng, phân loại sự cố ngắn mạch và định vị vùng sự cố ngắn mạch của các đườngdâytruyền tải sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo mà có thể được thực hiện dựa trên các rơ-le số [48] Một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng nhận dạng điều kiện không có sự cố ngắn mạch, sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất, sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau và sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất, cũng như chỉ ra vùng mà một sự cố ngắn mạch có thể xảy ra Mạng nơ-rôn nhân tạo trong nghiên cứu này có 6 ngõ vào bao gồm cácgiá trị điện áp 3 pha, V a , Vbvà Vc; và các giá trị dòng điện 3 pha, Ia, Ibvà

Ic;khi ấy, 2 ngõ ra bao gồm loại sự cố ngắn mạch và vùng sự cố ngắn mạch.Mạng nơ-rôn nhân tạo phân loại mười dạng sự cố ngắn mạch khác nhaub a o gồm: 1 trường hợp không có sự cố ngắn mạch, 3 trường hợp sự cố ngắn mạch một pha chạm đất, 3 trường hợp sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau và 3 trường hợp sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất; và xác định vùng sự cố ngắn mạch của ba vùng khác nhau Mỗi vùng là một phần ba chiều dài của đường dây.

P Ray và các cộng sự đã giới thiệu một kỹ thuật phát hiện và phân loại sự cố ngắn mạch của một đường dây truyền tải dài có tụ bù dọc thông qua sự kết hợp của mạng nơ-rôn nhân tạo và phép biến đổi wavelet [43] Kỹ thuậtnàysử dụng các mẫu dữ liệu của cường độ dòng điện 3 pha của một chu kỳ trước sự cố ngắn mạch và một chu kỳ sau sự cố ngắn mạch để xác định tín hiệu dòng điện chạm đất Hàm Daubechies được sử dụng như là một wavelet mẹ trong phép biến đổi wavelet rời rạc Mức năng lượng sai lệch mà được dựa trên phép biến đổi wavelet rời rạc được sử dụng để cung cấp cho hệ thống và được thiết kế cho việc phân loại tất cả mười một dạng sự cố ngắn mạch Cuối cùng, các đặc điểm tối ưu với năng lượng thu được từ phép biến đổi wavelet rời rạc của các tín hiệu dòng điện được lựa chọn, được đưa đến mạng nơ-rôn nhân tạo cho mục đích phân loại sự cố ngắn mạch Độ tin cậy của kỹ thuật được mô phỏng cho đường dây 300 km, 735 kV và 50Hz.

N Saravanan và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật phân loại và định vị sự cố ngắn mạch cho một đường dây truyền tải trên không mạch kép [39] Vị trí sự cố ngắn mạch được định vị thông qua việc đo lường các thông số của đường dây bị sự cố ngắn mạch tương ứng với mô hình đường dây phân bố Các sự cố ngắn mạch khác nhau như sự cố ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất và ngắn mạch 3 pha chạm đất trên đường dây truyền tải được bảo vệ sẽ được phát hiện, phân loại và định vị một cách nhanh chóng để đưa hệ thống trở về trạng thái bình thường Một ứng dụng mới của mạng nơ-rôn tương ứng với 3 biến thể của mạng nơ-rôn tiến thẳng bao gồm mạng nơ-rôn tiến thẳng với thuật toán lan truyền ngược, mạng nơ-rôn tiến thẳng với hàm cơ sở xuyên tâm và mạng nơ-rôn tiến thẳng tương quan cascaded được giới thiệu cho bảo vệ đường dây truyền tải mạch kép Kỹ thuật này sử dụng các giá trị của dòng điện dâyđể họcmốiquanhệ tiềmẩntrongcácmẫungõvào.Thôngquakỹthuật này, việc phát hiện, phân loại và định vị sự cố ngắn mạch có thể đạt được Các kết quả mô phỏng đạt được cho thấy rằng mạng nơ-rôn nhân tạo với hàm cơ sở xuyên tâm là tốt hơn so với hai mạng nơ-rôn còn lại tương ứng với độ chính xác cao hơn trong bài toán phát hiện, phân loại và định vị sự cố ngắn mạch của đường dây truyềntải.

Bên cạnh các công cụ toán học trên, Y Q Chen và các cộng sự đã giới thiệu một thuật toán huấn luyện máy học cực đại summation-wavelet [44]. Thuật toán này tích hợp tính năng khai thác trong quá trình học tập Thêm vào đó, thuật toán thuật toán huấn luyện máy học cực đại summation-wavelet mở rộng, tức là thuật toán huấn luyện máy học cực đại summation-gaussian cũng được giới thiệu và áp dụng thành công cho chẩn đoán sự cố ngắn mạch của đường dây truyền tải Thuật toán huấn luyện máy học cực đại summation- gaussian hoàn toàn tự học và không yêu cầu trích xuất tính năng đặc biệt Điều này cũng có nghĩa là thuật toán làm cho nó có thể triển khai với sự chủ quan tối thiểu của chuyêngia.

Tương tự, R Salat và các cộng sự đã giới thiệu một cách tiếp cận khác của bài toán định vị sự cố ngắn mạch cho đường dây truyền tải cao áp mà được dựa vào ứng dụng của máy véc-tơ hỗ trợ và các đặc tính tần số của điện áp một đầu đường dây, cũng như các tín hiệu dòng điện quá độ của hệ thống [73] Các kết quả mô phỏng được thực hiện tương ứng với các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau cho một đường dây truyền tải 200 km Sai số định vị sự cố ngắn mạch cho thấy rằng sai số trung bình là nhỏ hơn 100 m và sai số tối đa là không vượt quá 2 km.

P S P Eboule và các cộng sự đã giới thiệu kỹ thuật để dự đoán các sự cố ngắn mạch sắp xảy ra và vị trí của chúng bằng cách sử dụng kỹ thuật trí tuệ nhân tạo để cải thiện độ tin cậy và tính bền vững của đường dây truyền tải [47]. Nghiên cứu này so sánh các kết quả của kỹ thuật mạng nơ-rôn mờ để dự đoán các sự cố ngắn mạch và vị trí của chúng cho các đường dây truyền tải khác nhau bao gồm đường dây truyền tải 735 kV, 600 km và 400 kV, 120km.

Logic mờ là một phần không thể thiếu của kỹ thuật mạng nơ-rôn mờ.Đây là một kỹ thuật trí tuệ nhân tạo mà kết hợp dữ liệu học theo mạng nơ-rôn nhân tạo và logic mờ với các quy luật mờ được định nghĩa Cấu trúc này được xác định bằng cách sử dụng các dữ liệu sau sự cố ngắn mạch được chuẩn hóa.Sáu ngõ vào được thiết lập cho các giá trị điện áp ngắn mạch, V a , Vbvà

Vclàđiện áp giữa các pha 1, pha 2, pha 3 và đất tương ứng; cũng như dòng điệnngắn mạch, I a , Ibvà Iccủa các pha 1, pha 2, pha 3 tương ứng Trong các nghiêncứu của bài toán định vị sự cố ngắn mạch, điện trở ngắn mạch và dòng điện nạp từ các đường dây truyền tải bị rẻ nhánh là hai thách thức chính ảnh hưởng đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch; đặc biệt, trong trường hợp các đường dây truyền tải có nhiều nguồn Thêm vào đó, các nghiên cứu cũng cho thấy rằng bài toán định vị sự cố ngắn mạch của các đường dây truyền tải mạch kép phứctạphơn các đường dây truyền tải một mạch do ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch tương hỗ và sự cố ngắn mạch liênmạch.

A Ghorbani và các cộng sự đã giới thiệu một sơ đồ thay thế thứ tự nghịch để định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải mạch kép và nhiều nguồn [49] Trong nghiên cứu này, các tín hiệu được đo tại vị trí đặt rơ-le và các liên kết tín hiệu không được yêu cầu khi chỉ thu thập một đầu dữ liệu. Cũng tại các rơ-le khoảng cách, sáu thành phần là cần thiết để định vị sự cố ngắn mạch trong tất cả các dạng sự cố ngắnmạch.

S S Nagam và các cộng sự đã giới thiệu một thiết bị định vị sự cố ngắn mạch mà được dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo cho một đường dây truyền tải mạch kép với thiết bị bù STATCOM được lắp đặt tại giữa của một trong các đường dây truyền tải [45] Sự phi tuyến phát sinh trong hệ thống vì sự hiện diện của STATCOM làm cho nhiệm vụ bảo vệ đường dây truyền tải càng thách thức hơn; do đó, cản trở việc sử dụng các kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch thông thường Đường dây truyền tải 500 kV, 60 Hz, 300 km là một đường dây truyền tải được nghiên cứu dưới các điều kiện bị sự cố ngắn mạch và không bị sự cố ngắn mạch khác nhau Các tín hiệu của điện áp và dòng điện tần số cơ bản tại một đầu của đường dây được trích xuất bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc và tiếp tục được sử dụng để huấn luyện mạng nơ-rôn bằng thuật toán Levenberg Marquardt Mạng nơ-rôn được huấn luyện được thử nghiệmtrongcácđiềukiệnsựcốngắnmạchkhácnhauđể xácđịnhđộchính

Nguồn Đường dây 2, phân đoạn 3

150 km Đường dây 1, phân đoạn 2

STATCOM xác của các kết quả định vị sự cố ngắn mạch Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này luôn nhỏ hơn1%.

Hình 2.7 Sơ đồ đơn tuyến của đường dây truyền tải mạch kép có STATCOM

Bộ định vị sự cố ngắn mạch cho đường dây truyền tải ba pha, mạch kép với STATCOM được kết nối tại điểm giữa của đường dây truyền tải được phát triển bằng mạng nơ-rôn nhân tạo với các tính năng được trích xuất trong miền tần số Không giống như các rơ-le thông thường, tác động của STATCOM đối với việc định vị sự cố ngắn mạch đạt được bằng cách sử dụng thuộc tính ánh xạ phi tuyến của các mạng nơ-rôn nhân tạo Kỹ thuật này có thể xác định đường dây bị sự cố ngắn mạch và vị trí sự cố ngắn mạch với sai số trung bình tuyệt đối là 0.9% Hiệu quả của bộ định vị sự cố ngắn mạch được tìm thấy là không bị ảnh hưởng với sự thay đổi của các thuộc tính của các dạng sự cố ngắn mạch khác nhau[35].

Quy trình định vị sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây truyền tải điện tại các Công ty Truyền tải điệnViệtNam

Hiện nay, quy trình định vị sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây truyền tải đang được áp dụng tại các Công ty Truyền tải điện Việt Nam là như sau:

+ Khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, hệ thống rơ-le bảo vệ tại trạm biến áp sẽ cắt điện đường dây đó và thực hiện tự đóng lại; đồng thời, chức năng báo khoảng cách của các rơ-le bảo vệ khoảng cách hoặc bảo vệ so lệch sẽ báo vị trí sự cố ngắn mạch tính theo km từ vị trí đặt củarơ-le.

+ Sự cố ngắn mạch có thể là thoáng qua hoặc duy trì; tuy nhiên, theo quy định hiện hành các đội quản lý đường dây đều phải tìm kiếm, xác định vị trí và loại bỏ sự cố ngắn mạch, cũng như tìm ra các giải pháp nhằm tránh các sự cố ngắn mạch tương tự có thể lặp lại hoặc có thể nhanh chóng thay thế các trang thiết bị hỏnghóc.

+ Thông thường, các đơn vị quản lý đường dây cần phải cử nhân công đến vị trí cột tương ứng với khoảng cách sự cố ngắn mạch rơ-le đã báo và chia thành hai nhóm để tìm kiếm về hai phía Tại các vị trí cột đều cần phải kiểm tra bằng mắt thường xem có hư hỏng hay bất thường Quá trình tìm kiếm tiếp diễn cho đến khi nào tìm được vị trí sự cố ngắn mạch thực thì sẽ chụp ảnh ghi nhận và báo cáo.

Các vấn đề tồn tại trong quy trình định vị sự cố ngắn mạch trên đường dâytruyềntải

Rõ ràng rằng các kỹ thuật và quy trình định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải hiện tại vẫn đang tồn tại những khó khăn như chức năng báo khoảng cách sự cố ngắn mạch của các rơ-le bảo vệ khoảng cách thường báo vị trí sự cố ngắn mạch với sai số tương đối lớn Sai số của vị trí sự cố ngắn mạch trong nhiều trường hợp có thể lên tới nhiều km Số liệu thống kê ở một số nước cho thấy cho thấy sai số gặp phải có thể từ 0.5÷2%, với đường dây dài

300 km thì sai số là ±1% tương đương với việc phải đi tìm kiếm trong phạm vi

Các nguyên nhân kỹ thuật liên quan đến sự không chính xác của kết quả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dâytruyềntải

Phân tích các yếu tố đầu vào của các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch cho thấy rằng sai số về đo lường và mô hình đường dây sử dụng trong các thuật toán là các yếu tố chính ảnh hưởng đến sai số của kết quả định vị:

- Phần lớn các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch đều sử dụng dữ liệu đầu vào là tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ các đầu đường dây truyền tải; vì vậy, khi có sai số đo lường, kết quả định vị sự cố ngắn mạch sẽ gặp phải sai số Trong đó, sai số đo lường bao gồm:

+ Sai số của thiết bị biến đổi: theo tiêu chuẩn IEC60044-1-1996 về sai số của máy biến điện áp và IEC60044-2-1997 cho máy biến dòng điện, thiết bị biến đổi có thể có sai số lớn nhất ±6% đối với máy biến điện áp và ±10% đối với máy biến dòng điện Do đó, sai số của các thiết bị này có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kỹ thuật định vị, độ không đồng nhất của sai số cũng là yếu tố có thể có ảnh hưởng lớn đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch.Tuynhiên, sai số của thiết bị biến đổi có tính chất xác suất do vậy sai số của thiết bị biến đổi không thể loại bỏ mà chỉ có thể đánh giá ảnh hưởng của sai số này đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch Vì vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật đánh giá ảnh hưởng sai số đo lường đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch là cần thiết để xác định định lượng các yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến thuật toán định vị; từ đó, có thể đưa ra các quy định về sai số của thiết bị đo lường, cũng như cải tiến các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch, hoặc khuyến cáo về sai số gặp phải khi sử dụng các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch Hiện nay, có một số nghiên cứu như sử dụng mạng nơ-rôn hoặc mạng nơ-rôn kết hợp logic mờ sử dụng một tập lớn các mẫu huấn luyện nhằm mục đích giảm sai số.Tuynhiên, hiệu quả đạt được vẫn là vấn đề cần quan tâm, đồng thời các nghiên cứu theo hướng này yêu cầu số lượng lớn bản ghi sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây truyền tải để huấn luyện mạng nơ-rôn nhân tạo và đây là yêu cầu rất khó đáp ứng trong thựctế.

+ Sai số do hiện tượng bão hòa của máy biến dòng điện: khi máy biến dòng điện bị bão hòa thì số liệu dòng điện đo lường không còn chính xác làm ảnh hưởng đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch Để khắc phục hiện tượng bão hòa của máy biến dòng điện, một số tài liệu sử dụng phân tích Prony hoặc kỹ thuật bình phương cực tiểu kết hợp biến đổi Fourier rời rạc với mục đích khôi phục dạng sóng bão hòa Tuy nhiên, kết quả phục hồi dạng sóngdòngđiện của các thuật toán này bị ảnh hưởng bởi tần số lấy mẫu của tín hiệu, số lượng hài có trong tínhiệu.

+ Sai số do tín hiệu đo lường từ các phía đường dây không được đồng bộ: điện trở sự cố ngắn mạch là yếu tố bất định có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch của các thuật toán sử dụng tín hiệu đo lường từ một phía; và để không bị ảnh hưởng bởi điện trở sự cố ngắn mạch các nghiên cứu hiện nay tập trung vào các thuật toán sử dụng tín hiệu đo lường đồng bộ từ các phía của đường dây Vì vậy, nếu tín hiệu không được đồng bộ thì kết quả định vị sự cố ngắn mạch sẽ bị sai lệch Đây cũng chính là lý do hiện này có một số nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật đồng bộ tín hiệu đo lường từ các phía.

+ Sai số do tín hiệu đo lường có thành phần một chiều: nếu tín hiệu đo lường có thành phần một chiều thì khi sử dụng biến đổi Fourier để xác định phasor của tín hiệu điện áp và dòng điện sẽ gặp phải sai số; từ đó, kết quả định vị sự cố ngắn mạch sẽ sai lệch do đầu vào của thuật toán định vị là phasor của tín hiệu đo lường Đây chính là lý do các nghiên cứu gần đây đã giới thiệu các kỹ thuật như bộ lọc Kalman hoặc bộ lọc mô phỏng số kết hợp biến đổi Fourier rời rạc, để lọc bỏ thành phần một chiều, góp phần nâng cao độ chính xác của các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch.

- Mô hình đường dây được sử dụng trong các thuật toán định vị là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến kết quả định vị sự cố ngắnmạch:

+ Phần lớn các thuật toán định vị sự cố ngắn mạch sử dụng mô hình đường dây thông số tập trung vì khối lượng tính toán không nhiều, tính toán đơn giản và thường được sử dụng cho đường dây ngắn Vì vậy, kết quả định vị sẽ gặp sai số Nếu đường dây có chiều dài 100 km thì sai số của mô hình thông số tập trung khoảng 0.2% so với mô hình thông số rải và sai số tăng nhanh theo chiều dài đường dây.

+ Các thuật toán định vị của rơ-le bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số hiện có đều sử dụng các biến thể của kỹ thuật tổng trở nhằm xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sử dụng các tín hiệu điện áp và dòng điện đo lường từ một phía đầu đườngdây.

Về mặt toán học, đây là mô hình không chính xác, do tổng trở biểu kiến khi nhìn từ một phía đường dây phụ thuộc vào vị trí sự cố ngắn mạch, điện trở sự cố ngắn mạch, đường dây truyền tải có nhiều nguồn cũng như trào lưu công suất giữa hai phía đường dây trước khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

+ Thông số đường dây có thể coi là một đại lượng có tính bất định, đặc biệt là thành phần tổng trở thứ tự không phụ thuộc rất nhiều vào điện trở của đất Trên thực tế, thông số của đường dây tải điện có sự khác biệt nhất định dọc theo tuyến đường dây Do vậy, các thuật toán định vị sử dụng mô hình tính toán với giả thiết đường dây đồng nhất khi áp dụng định vị sự cố ngắn mạch cho các mô hình đường dây thực tế thì kết quả định vị sẽ bị saisố.

+ Hệ thống truyền tải hiện nay vẫn còn một số đường dây có rẽ nhánh; lý do của việc rẽ nhánh các đường dây có thể do yêu cầu đấu nối cấp điện cho phụ tải mới ở giữa đường dây hoặc có các nhà máy điện đấu nối lên lưới Các đường dây rẽ nhánh này có thể sử dụng cùng chủng loại dây với đường dây chính hoặc có thể sử dụng loại dây khác Việc xuất hiện đường dây có rẽ nhánh gây nhiều khó khăn cho việc cài đặt chỉnh định các rơ-le bảo vệ khoảng cách; đồng thời khi đường dây không đồng nhất thì việc định vị sự cố ngắn mạch gặp sai số lớn do các rơ-le chỉ cho phép cài đặt với một bộ thông số tổng trở đường dây.

+ Việc tính toán và chỉnh định rơ-le thông thường sẽ gặp một khó khăn do không thể có được số liệu chính xác của thông số của các đường dây, vì thông số của đường dây truyền tải thường khó xác định được chính xác do chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng như điện trở suất của các vùng đất dọc đường dây thay đổi, đường dây có các phân đoạn sử dụng chủng loại dây khác nhau và để xác định thông số đường dây, các công ty điện lực có thể áp dụng các kỹ thuật như:

 Sử dụng các kỹ thuật tính toán thông số đường dây Tuy nhiên,xác định thông số đường dây theo kỹ thuật này có thể gặp phải sai số do các phép tính trung gian, chẳng hạn như tính điện kháng đường dây phải qua một loạt phép tính trung gian như khoảng cách xà cột, chủng loại đường dây, lộ đơn hay lộ kép,đườngdâyđiện có dây dẫn phân pha , tính dung dẫn thì phải sử dụng một loạt các công thức tính toán xét đến ảnh hưởng của đất,đường dây có dây chốngsét ).

 Sử dụng thiết bị đo lường thông số đường dây Tuy nhiên, sai số tổng trở đường dây đo được khoảng 5% so với kết quả tính toán do các yếu tố như: khi đo lường thông số để khắc phục nhiễu từ các hệ thống mang điện khác, thông số đo lường được thực hiện với nguồn có tần số 30 Hz và 70 Hz, và giá trị trung bình của hai phép đo chính là tổng trở đường dây ở tần số 50 Hz; mô hình đường dây được áp dụng để xác định thông số đường dây là mô hình thông số tập trung có độ chính xác nhỏ hơn mô hình đường dây thông sốrải.

Các nghiên cứuđềxuất

Các nghiên cứu trên cho thấy rằng kỹ thuật bơm xung phản xạ chỉ được thực hiện bằng các máy phát xung chuyên dụng có tần số cao và chỉ xác định được vị trí sự cố ngắn mạch sau khi đã cô lập đường dây Điều này làm tăng thời gian mất điện, giảm chất lượng điện năng và phải đầu tư chi phí khá lớn cho máy tạo xung công suất lớn và tần số cao Kỹ thuật bơm xung phản xạ chỉ thích hợp trong định vị chính xác điểm sự cố ngắn mạch trong sửa chữa đoạn cáp bị sự cố ngắn mạch và không thích hợp khi muốn định vị nhanh vị trí sự cố ngắn mạch.

Trong những năm gần đây, kỹ thuật tổng trở được phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể Trong các nghiên cứu, vị trí sự cố ngắn mạch được xác định nhanh dựa trên việc đo đạc các giá trị dòng điện và điện áp trên các đầu đường dây Tuy nhiên, rõ ràng rằng việc đo tại nhiều điểm làm phát sinh bài toán không đồng bộ về mặt thời gian của các thiết bị đo khác nhau tại các đầu nút phụ tải khác nhau mà đã làm giảm độ chính xác của kỹ thuật tổngtrở.

Có nhiều kỹ thuật cải thiện đồng bộ trong đo lường như:

+ Sử dụng đồng bộ bằng vệ tinh;

Rõ ràng rằng các giải pháp đã làm tăng độ chính xác nhưng phải yêu cầu đầu tư thêm thiết bị đắt tiền.

Ngoài ra, kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền với nguyên lý làm việc cơ bản là kiểm soát sự di chuyển các thành phần hài bậc cao trên đường dây khi xuất hiện quá trình quá độ trong hệ thống điện Để làm được điều này các cảm biến đo lường phải có khả năng ghi nhận được các thành phần hài bậc cao của thành phần sóng cơ bản Điều này làm gia tăng chi phí cho các thiết bị đo và hầu như không thể lắp đặt trên toàn hệ thống truyền tải bởi rào cản về kinh tế Các kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch khác được dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo, phép biến đổi wavelet, cũng được giới thiệu với mục tiêu cải thiện độ chính xác của kết quả địnhvị.

Trên cơ sở các phân tích trên, có thể nhận thấy rằng mỗi kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải đều tồn tại các nhược điểm mà có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng định vị nhanh vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải Với yêu cầu khắc phục các nhược trên, luận án này đề xuất một kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch mới trên cơ sở biến đổi bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải thành bài toán tối ưu hóa Trong bài toán tối ưu hóa này, hàm mục tiêu được định nghĩa chính là điện áp tại điểm xảy ra sự cố ngắn mạch. Đối tượng khảo sát chính trong bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên hệ thống truyền tải chính là đường dây truyền tải Các mô hình đường dây truyền tải được xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau từ đơn giản đến phức tạp mà bao gồm:

+ Đường dây truyền tải hai đầu cực;

+ Đường dây truyền tải rẽ nhánh;

+ Đường dây truyền tải có tụ bùdọc;

+ Đường dây truyền tải mạch kép;và

+ Đường dây truyền tải có kết nối với nguồn điện năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyềntải

Giớithiệu

Cơ sở lý thuyết của bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải được dựa trên:

+ Đối tượng cần được định vị mà chính là các đường dây truyền tải được lựa chọn trong nghiên cứu này Có nhiều dạng đường dây truyền tải khác nhau trong một hệ thống truyền tải Hình thức mô tả cho từng dạng đườngdâytruyền tải sẽ có các ảnh hưởng nhất định đến kết quả định vị sự cố ngắn mạch mà sẽ được nghiên cứu và phân tích chi tiết trong nghiên cứunày.

+ Các kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch mà bao gồm:

- Kỹ thuật bơm xung phảnxạ;

- Kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóng truyền;và

- Kỹthuậtd ựa tr ên m ạ n g nơ - r ôn n h â n tạo, b i ế n đ ổi wav ele tv à các thuật toán heuristic,

Cáckỹthuật định vị sự cốngắn mạch

3.2.1 Kỹ thuật bơm xung phảnxạ

Kỹ thuật bơm xung phản xạ được dựa trên nguyên lý tại nơi giao nhau của hai môi trường truyền khác nhau, sóng truyền đến sẽ sinh ra một sóng phản xạ và truyền ngược trở lại môi trường ban đầu Nguyên lý này đã được ứng dụng trong kỹ thuật phản xạ miền thời gian với môi trường tới là đầu một dây dẫn và môi trường tới là nơi gián đoạn của đường dây khi ngắn mạch, nơi giao nhau của hai môi trường chính là vị trí xuất hiện sự cố ngắn mạch. Để định vị sự cố ngắn mạch, một xung áp được phát vào trong đường dây truyền tải; khi gặp vị trí sự cố, sẽ xuất hiện xung phản hồi về Dựa vào độ lớn và góc pha phản hồi về, có thể xác định được vị trí sự cố trên đường dây truyền tải.

Xung phản xạ bao gồm hai dạng chủ yếu đó là:

+ Xung dòng điện. Đặc điểm của các xung này là có tần số cao và biên độ lớn; vì vậy, để thu được các xung phản xạ từ vị trí sự cố ngắn mạch trở về, thiết bị đo phải có chất lượng tốt tương ứng với thời gian lấy mẫu đủ nhỏ, vài kHz và biên độ đo lường lớn, vàikV.

Thông thường, giá thành thiết bị đo lường rất cao để có thể đạt được các yêu cầu kỹ thuật cao của phương pháp bơm xung dòng điện và điện áp phục vụ cho định vị sự cố ngắn mạch.

Ngoài ra, thiết bị định vị sự cố ngắn mạch bằng phương pháp xung phản xạ yêu cầu lưới điện phải cách ly khỏi hệ thống khi hoạt động.

Thêm vào đó, thời gian để xác định vị trí sự cố ngắn mạch bị kéo dài do phải mất một khoảng thời gian để đưa thiết bị đến nơi có sự cố ngắn mạch phục vụ cho đo lường.

Trên đây có thể được xem là những nhược điểm của các thiết bị này. Mặt khác, xung phản xạ khi đi qua các mối nối trên đường dây cũng sẽ tạo nên các xung nhiễu cao tần, càng nhiều mối nối thì số lượng và độ phức tạp của xung nhiễu càng cao Đây được xem là nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả của phương pháp xung phản xạ trên đường dây truyền tải, đặc biệt đường dây có nhiều nhánh rẻ hoặc nhiều phụ tải.

Như vậy, kỹ thuật định vị sự cố ngắn mạch bằng xung phản xạ chủ yếu chỉ được ứng dụng cho đường dây truyền tải với chiều dài đường dây lớn; ít hoặc không có nhánh rẽ; và ít hoặc không có phụ tải trên đường dây.

3.2.2 Kỹ thuật dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản

Kỹ thuật dựa trên các giá trị của dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản hay kỹ thuật dựa trên tổng trở để định vị sự cố ngắn mạch là kỹ thuật dựa trên

V A V B việc xác định dòng điện và điện áp tại các đầu đường dây; cũng như tổng trở đường dây tại thời điểm trước khi sự cố ngắn mạch xảy ra nhằm mục đích xác định vị trí ngắn mạch. Ưu điểm của kỹ thuật này là chỉ cần đo dòng điện và điện áp tại tần số cơ bản của hệ thống điện; vì vậy, yêu cầu về chất lượng đo lường không quá cao về tần số đo lường Do đó, giá thành thiết bị rẻ hơn nhiều so với thiết bị đo lường trong kỹ thuật bơm xung phảnxạ.

Tuy nhiên, sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải thường đi kèm với các tín hiệu nhiễu cao tần khá lớn làm méo dạng lớn cho tín hiệu dòng điện và điện áp thu được Do đó, để có thể sử dụng được kỹ thuật này trong định vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải cần phải có thêm các thuật toán đủ mạnh để lọc bỏ được nhiễu này ra khỏi tín hiệu thuđược.

* Định vị sự cố ngắn mạch sử dụng kỹ thuật tổng trở Đối với các đường dây truyền tải có chiều dài khá lớn, tổng trở tương hỗ giữa các đường dây là đáng kể và cần được quan tâm đúng mức trong quá trình định vị sự cố ngắn mạch Tuy nhiên, khi ấy các tính toán sẽ trở nên phức tạp và khó khăn Để giải quyết vấn đề này, các thành phần điện áp và dòng điện ba pha tại thời điểm xuất hiện sự cố ngắn mạch sẽ được chuyển đổi thành các thành phần đốixứng.

Hình 3.1 Sự cố ngắn mạch đường dây truyền tải ba pha

Xét một sơ đồ mô hình hệ thống truyền tải với giả sử sự cố ngắn mạch xảy ra tại một vị trí bất kỳ trên đường dây truyền tải như Hình 3.1.

Hệ thống truyền tải bao gồm 2 nguồn phát tại 2 nút A và B; và đường dây truyền tải AB Điện áp và dòng điện được đo lường tại hai đầu đường dây AB.

Giả sử rằng khi sự cố ngắn mạch xảy ra, điện áp và dòng điện trên các pha được thu thập từ cả hai đầu đường dây AB.

Trong quá trình thu thập dữ liệu điện áp và dòng điện tại mỗi đầu dây, các dữ liệu thu thập được sẽ có sự sai lệch về thời gian Để khắc phục được nhược điểm này, các phương án đồng bộ lần lượt được đề xuất bao gồm phương án sử dụng hệ thống định vị toàn cầu hoặc phương án sử dụng các đường truyền cáp quang tốc độ cao Tuy nhiên, rõ ràng rằng các phương án này tỏ ra không phù hợp vì chi phí đầu tư có thể sẽ rấtcao. Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị thu thập dữ liệu tại hai đầu đường dây sẽ không có các thiết bị đồng bộ Khi ấy, vấn đề đồng bộ sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng góc bù Kỹ thuật này được trình bày chi tiết như sau:

Giả sử sự cố ngắn mạch xảy ra tại một điểm nào đó cách đầu đường dây

Gọi Vflà điện áp sự cố ngắn mạch tại điểm ngắn mạch Khi ấy, điện áp sự cố ngắn mạch, Vfđược xác định như sau:

VAvà VB: Điện áp tại các đầu đường dây A và B khi xảy ra sự cố ngắn mạch;

IAvà IB: Dòng điện chạy vào đường dây lần lượt từ A và B khi xảy ra sự cốngắnmạch;

Z: Tổng trở đường dây, Z = R + jX.

Kết hợp các phương trình (3.1)-(3.2):

Do dữ liệu được thu thập tại hai đầu đường dây A và B chưa được đồng bộ về thời gian với nhau; vì vậy, để đồng bộ các dữ liệu thu thập được tại hai đầu đường dây A và B, một góc đồng bộ,được thêm vào Điều này giúp cho các dữ liệu thu thập được tại hai đầu đường dây A và B được đồng bộ về thời gian với nhau.

Khi ấy, điện áp và dòng điện tại các đầu đường dây A và B được viếtl ạ i như sau:

,,và: Các góc đo được. Đồng thời, khi ấy phương trình (3.3) được viết lại như sau:

Phương trình (3.8) có thể được biểu diễn như sau:

Re V A  sin  Im  V A  cos  Im  V B  C 4  d  C 1sinC 2 cosC 4 

Re  V A  cos   Im  V A  sin   Re  V B  C 3  d  C 1 cos C 2 sin C 3 

(3.11) (3.12) (3.13) (3.14) Để loại bỏ tham số d, chia vế theo vế của (3.9) với (3.10), khi ấy:

Re V A  sin   Im  V A  cos   Im  V B  C 4 C 1 sin   C 2 cos   C 4 (3.15)

Re V A  cos   Im  V A  sin   Re  V B  C 3 C 1 cos  C 2 sin   C 3 k

Quy đồng mẫu số (3.15) và biến đổi đẳng thức Khi ấy, sẽ có được phương trình lượng giác như sau: asin+ bcos+ c=0 (3.16)

Trong đó: a = - C3Re(VA) - C4Im(VA) - C1Re(VB) - C2Im(VB) + C1C3+ C2C4(3.17) b

= - C4Re(VA) - C3Im(VA) - C2Re(VB) + C1Im(VB) + C2C3+ C1C4(3.18) c - C2Re(VA) - C1Im(VA) - C4Re(VB)+C3Im(VB) (3.19)

Từ phương trình (3.16), góc đồng bộ,có thể được xác định dựa vào kỹ thuật lặp Newton - Raphson Trong đó, phương trình lặp là:

Các hàm số F(k) và F’(k) được biểu diễn như sau:

F’(k) = acosk-bsink (3.22) Để có thể xác định được góc đồng bộ,, giá trị ban đầu0cần đượckhởi tạo Quá trình lặp sẽ được thực hiện và vòng lặp sẽ được kết thúc khi sai số nhận được nhỏ hơn một giá trị tối thiểu được chỉđịnh.

Khi ấy, vị trí sự cố ngắn mạch sẽ được xác định như sau: dRe V A  sin n   Im C  V A  cos  Im  V B  C 4 C 1 si

3.2.3 Kỹ thuật dựa trên hiện tượng sóngtruyền

Sự cố ngắn mạch trên đường dâytruyền tải

Nguyên nhân chung và chủ yếu của ngắn mạch trên đường dây truyền tải là do cách điện bị hư hỏng mà tác nhân gây hư hỏng cách điện có thể là do đường dây bị già cỗi với thời gian làm việc quá lâu; do chịu tác động về mặt cơ khí như đào đất, thả diều, xe cộ va quẹt…; do các loài vật như chim, rắn, thú vật…; do gió bão, sấm sét; hoặc do ngắn mạch xảy ra khi thao tác đóng cắt nhầm.

Khi ấy, hậu quả sẽ là:

+ Phát nóng cục bộ rất nhanh gây cháy nổ và già cỗi cách điện;

+ Sinh ra lực cơ khí lớn làm hư hỏng các thiết bị xung quanh;

+ Gây sụt áp ảnh hưởng đến sản xuất;

+ Gây mất ổn định hệ thống ảnh hưởng đến an ninh hệ thống điện; + Tạo các phần tử gây nhiễu từ các dòng điện bất đối xứng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng;

+ Làm gián đoạn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ điện.

Có hai loại sự cố ngắn mạch có thể xảy ra trên bất kỳ đường dây tải điện bao gồm sự cố ngắn mạch cân bằng và sự cố ngắn mạch không cân bằnghaycòn được gọi là sự cố ngắn mạch đối xứng và sự cố ngắn mạch không đối xứng. Hầu hết, các sự cố ngắn mạch xảy ra trên hệ thống điện là sự cố ngắn mạch không cân bằng Ngoài ra, các sự cố ngắn mạch có thể được phân loại như sự cố ngắn mạch không đối xứng ngang và sự cố ngắn mạch không đối xứngdọc.

Các sự cố ngắn mạch không đối xứng dọc là những loại sự cố ngắn mạch xảy ra ở trở kháng của đường dây và không liên quan đến trung tính hoặc đất, cũng không có liên quan đến bất cứ liên kết giữa các pha Sự cố ngắn mạch này tạo ra sự gia tăng điện áp và tần số; giảm dòng điện trong các pha bị sự cố ngắn mạch, chẳng hạn như mở một hoặc hai đường dây bằng các máycắt.

Các sự cố ngắn mạch không đối xứng ngang là sự mất cân đối giữa các pha hoặc giữa pha với đất Sự cố ngắn mạch này nó tạo ra sự gia tăng của dòng điện, giảm tần số và mức điện áp trong các pha bị sự cố ngắn mạch Trong nghiên cứu này chỉ xem xét sự cố ngắn mạch không đối xứng ngang.

Các sự cố ngắn mạch không đối xứng ngang được phân thành bốn loại với các đặc điểm riêng.

3.3.1 Ngắn mạch ba pha chạmđất

Trong hệ thống truyền tải, sự cố ngắn mạch ba pha xuất hiện khi có sự cố do đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, do sét đánh, phương tiện va quẹt… chạm vào cả ba pha Lúc này, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện (dây pha) so với phần tử gây sự cố ngắn mạch được nối đất sẽ làm xuất hiện dòng hồ quang điện phóng từ dây pha ra lớp bảo vệ sinh ra ngắn mạch chạm đất một pha Khi xuất hiện ngắn mạch ba pha chạm đất, tổng trở đường dây có sự cố ngắn mạch sẽ giảm đi rất nhanh do điện trở dây dẫn thường rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Do đó, dòng điện trong các pha có sự cố tăng vọt, giá trị dòng điện sự cố có thể cao hơn gấp nhiều lần so với giá trị vận hành thông thương.Giátrịdòngsựcốcaohaythấpphụthuộcvàovịtrísự cốvàtổngtrởcủahệ

I a thống Sự tăng dòng điện tại dây sự cố sẽ dẫn đến sự sụt điện áp tại đầu nguồn cung cấp điện, biên độ điện áp tại đầu trạm biến áp bị tụt giảm nhanh dưới ngưỡng vận hành bình thường Sơ đồ nguyên lý sự cố ngắn mạch ba pha chạm đất được thể hiện như Hình 3.2. a F a b b c c

Hình 3.2 Ngắn mạch ba pha chạm đất

Trong hệ thống truyền tải, sự cố ngắn mạch pha - pha là sự cố ngắn mạch giữa hai pha do đứt một dây pha, chim, nhánh cây rơi, các vật bay vướng vào một đường dây chạm vào dây kia… Lúc này, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện so với phần tử gây sự cố ngắn mạch được nối đất sẽ làm xuất hiện dòng hồ quang điện phóng từ dây pha sang phần tử gây sự cố ngắn mạch sinh ra ngắn mạch hai pha Khi xuất hiện ngắn mạch hai pha, tổng trở đường dây có sự cố ngắn mạch sẽ giảm đi rất nhanh do điện trở dây dẫn thường rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Do đó, dòng điện trong pha có sự cố tăng vọt,giá trị dòng điện sự cố so với pha còn lại có thể cao hơn gấp nhiều lần Giá trị dòng sự cố cao hay thấp phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống Sự tăng dòng điện tại dây sự cố sẽ dẫn đến sự sụt điện áp tại đầu nguồn cung cấp điện, biên độ điện áp tại hai pha sự cố sẽ thấp hơn biên độ điện áp của pha không có sự cố Sơ đồ nguyên lý sự cố ngắn mạch hai pha được thể hiện nhưHình3.3.

Hình 3.3 Ngắn mạch hai pha

3.3.3 Ngắn mạch hai pha chạmđất a a b b c c

Hình 3.4 Ngắn mạch hai pha chạm đất

Trong hệ thống truyền tải, sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất xuất hiện khi có sự cố do đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, do sét đánh, phương tiện va quẹt… chạm vào cả hai pha Lúc này, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện so với phần tử gây sự cố ngắn mạch được nối đất sẽ làm xuất hiện dòng hồ quang điện phóng từ dây pha sang phần tử gây sự cố ngắn mạch sinh ra ngắn mạch hai pha chạm đất Khi xuất hiện ngắn mạch hai pha chạm đất, tổng trở đường dây có sự cố ngắn mạch sẽ giảm đi rất nhanh do điện trở dây dẫnthường

Z f rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Do đó, dòng điện trong pha có sự cố tăng vọt, giá trị dòng điện sự cố so với pha còn lại có thể cao hơn gấp nhiều lần Giá trị dòng sự cố cao hay thấp phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống.

Sự tăng dòng điện tại dây sự cố sẽ dẫn đến sự sụt điện áp tại đầu nguồn cung cấp điện, biên độ điện áp tại hai pha sự cố sẽ thấp hơn biên độ điện áp của pha không có sự cố Sơ đồ nguyên lý sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất được thể hiện như Hình 3.4.

3.3.4 Ngắn mạch một pha chạmđất a a b b c c

Hình 3.5 Ngắn mạch một pha chạm đất

Trong hệ thống truyền tải, sự cố ngắn mạch một pha chạm đất xuất hiện khi có sự hư hỏng sứ cách điện, sự cố ngắn mạch do đứt dây, cây ngã đổ vào đường dây, do sét đánh, phương tiện va quẹt… Lúc này, sự chênh lệch điện áp giữa dây mang điện so với phần tử gây sự cố ngắn mạch được nối đất sẽ làm xuất hiện dòng hồ quang điện phóng từ dây pha sang phần tử gây sự cố ngắn mạch sinh ra ngắn mạch chạm đất một pha Khi xuất hiện ngắn mạch một pha chạm đất, tổng trở đường dây có sự cố ngắn mạch sẽ giảm đi rất nhanh do điện trở dây dẫn thường rất nhỏ so với điện trở của phụ tải Do đó, dòng điện trong pha có sự cố tăng vọt, giá trị dòng điện sự cố so với hai pha còn lại có thể cao hơn gấp nhiều lần Giá trị dòng sự cố cao hay thấp phụ thuộc vào vị trí sự cố và tổng trở của hệ thống Sự tăng dòng điện tại dây sự cố sẽ dẫn đến sự sụt điện áp tại đầu nguồn cung cấp điện, biên độ điện áp tại pha sự cố sẽ thấp hơn biên độ điện áp của hai pha còn lại Sơ đồ nguyên lý sự cố ngắn mạch ngắn mạch một pha chạm đất được thể hiện như Hình 3.5.

Dòng điện ngắn mạch trong hệ thốngtruyềntải

Ngắn mạch trong hệ thống điện nói chung và hệ thống truyền tải nói riêng là không thể tránh khỏi, ngắn mạch xuất hiện từ các yếu tố tự nhiên khách quan hoặc yếu tố vận hành chủ quan, ngắn mạch làm dòng điện tăng cao và điện áp giảm thấp, các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện gồm có ngắn mạch

1 pha chạm đất, ngắn mạch 2 pha hoặc 2 pha chạm đất, ngắn mạch 3 pha, trong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất do thường có giá trị dòng điện ngắn mạch lớn nhất Bài toán định vị sự cố dòng ngắn mạch trên đường dây truyền tải có thể được xem xét trên các giá trị dòng điện ngắn mạch mà sẽ được nghiên cứu tính toán và phântích.

Hầu hết, việc tính toán sự cố ngắn mạch trong hệ thống truyền tải được thực hiện trong đơn vị tương đối với ma trận tổng trở nút Khi tính toán, thông thường giả thiết rằng dòng tải không đáng kể so với dòng sự cố ngắn mạch hay cho hở mạch tại các nút tải Khi ấy:

Z ii : Phần tử thứitrên của đường chéo của ma trận tổng trở nút, là tổng trởtương đương Thevenin nhìn từ nútivào hệ thống khi nútibị sự cố ngắn mạch Điện áp tương đương Thevenin là điện áp hở mạch tại nútihay điện áp danh định trước sự cố ngắn mạch Thông thường, điện áp này được giả sử bằng 1,0 đvtđ Mặc dù, giá trị này có thể được điều chỉnh như mong muốn vì mạng làtuyến tính. Tổng trởZ ik trong ma trận Znútlà một giá trị tổng trở phản ánh quanhệ giữa điện áp tại nútivới dòng điện đổ vào nútk.

Mạng hai cửa tích cực tuyến tính

Ma trận tổng trở nút của mạng thứ tự nghịch và thứ tự không cũng được sử dụng trong tính toán ngắn mạch trong hệ thống truyền tải Thông thường, giả thiết rằng mạng thứ tự nghịch giống như mạng thứ tự thuận, ngoại trừ các kháng trở máy phát Như vậy, khi biết được các mạng thứ tự, bằng việc sử dụng ma trận tổng trở nút hay biến đổi mạch tương đương Thevenin, có thể tính toán được bất cứ dòng sự cố ngắn mạch yêu cầu nào tại các nút truyềntải.

Hình 3.6 Đường dây khảo sát và tương đương hệ thống

Giả sử rằng cần tính toán bảo vệ cho một đường dây truyền tải hay một phần tử nào đó trong hệ thống truyền tải Mạng kết nối với phần tử là một mạng tích cực có chứa nguồn cũng như các nhánh tải song song, tụ điện, cuộn kháng… Trong các mạng lớn, số phương trình mô tả mạng điện tương đương với số nút Trong nhiều trường hợp, yêu cầu biết thông tin tại bất kì nút nào của mạng, cần phải giải số lượng lớn phương trình mô phỏng hệthống.

Trong lĩnh vực bảo vệ, thông thường quan tâm đến ảnh hưởng của hệ thống lên phần tử cần bảo vệ, nên cần thu gọn mạng đơn giản hơn để phục vụ cho yêu cầu tính toán bảo vệ Giả sử rằng khảo sát phần tử bảo vệ là đường dây hay máy biến áp trong nhánh nào đó nối giữa hai nút của hệ thống Khi ấy, xét đường dây truyền tải nối giữa hai nút trong hệ thống điện Giả thiết rằng cần biết dòng, áp tại vị trí hai đầu đường dây Để xác định các giá trị này cần tương đương hệ thống trừ đường dây đang khảo sát thành một mạng tương đương hai cửa tích cực chứa nguồn và các tổng trở tương đương như Hình 3.6.

Mạng hai cửa tích cực tuyến tính được mô tả bởi phương trình mạng hai cửa mạch hở như sau:

Các phần tử trong ma trận tổng trở Z được gọi là các thông số mạng hở, nghĩa là I 

S2 trong (3.26) là véc-tơ điệnápnguồn,biểudiễnảnhhưởngcủanguồntronghệthống.Xácđịnhsơđồ tươngđươnghaicửacủahệthốngkhitháođườngdâyra.Trongđó: V 

2là điện thế các nút 1 và 2 so với nút gốc Các dòngđiện

1và I  2 là các dòng điện đổ vào hệ thống tại các nút 1 và 2 Trước hết, khi hai cửa mạng tương đương để hở nghĩalàKhi ấy:

Từ phương trình (3.28) nhận thấy rằng điện áp nguồn V  S

S2 chính là các giá trị điện áp mạch hở tại các cửa 1 và 2 khi đường dây được tháo bỏ. Các giá trị này thể hiện ảnh hưởng của nguồn trong hệ thống Có thể xem đây như là các điện áp Thevenin tương đương và được xác định từ việc giải bài toán phân bổ dòng công suất trong hệ thống khi tháo bỏ đường dây ra khỏi hệ thống.

Mặt khác, trong trường hợp không có các nguồn trong hệ thống Khi ấy:

Mạng 2 cửa trở thành mạng thụ động và các thông số mạng hai cửa được xác định bằng cách lần lượt bơm dòng vào mỗicửa.

Trong điều kiện bơm nguồn vào, điện thế tại hai cửa được đo hoặc tính và so sánh với dòng điện bơm vào Các thông số mạng hai cửa là như sau:

Thông số mạng hai cửa có thể được xác định từ các phương trình mô tả mạng điện Các phương trình có thể ở dạng tổng trở nút hay tổng dẫn nút Do hệ thống điện thực tế có nhiều nút, nhiều nhánh nên số lượng phương trình rất lớn và giải hệ phương trình cần sự hỗ trợ của máy tính Do các chương trình tính tóan ngắn mạch thường sử dụng ma trận tổng trở nên người ta thường xác định thông số mạng hai cửa từ các phương trình ở dạng tổng trởnút.

Mạng điện được mô tả bằng ma trận tổng trở nút Để đơn giản, bỏ qua nguồn điện thế:

Giả sử rằng nhánh được khảo sát nối giữa nútivàk,dòng điện bơmv à o mạng là những dòng chảy ra mỗi đầu nhánh Các dòng này ký hiệu là I 

I k ở phương trình (3.24) Tất cả các dòng khác bằng không Dùng các kỹ thuật toán học biến đổi và rút gọn hệ phương trình (3.34) về dạng:

Nếu chọn núti, klà 1 và 2 thì:

Ma trận (3.36) được xác định khi nhánh đường dây khảo sát được tháo ra khỏi mạng Sơ đồ thay thế tương đương nhìn từ hai núti,kcủa mạng điện cho bởi Hình 3.7 khi không kể đường dây khảosát.

Z ik b) Hình 3.7 Thông số mạng hai cửa tương đương

Mạn ghai cửa tích cực

Một mạng tương đương hai cửa đơn giản nhất của hệ thống 3 nút, nút 1 (cửa 1), nút 2 (cửa 2), và nút tham chiếu (nút gốc) gồm 3 tổng trở tương đương như trình bày trên Hình 3.7 và được trình bày lại như Hình 3.8 Các sức điện động tượng trưng cho ảnh hưởng của các nguồn trong mạng, được xác định khitính toán hở mạch tại nút 1 và 2 Tổng trở Z L trên Hình 3.8 biểu diễn tổng trở đường dây khảo sát ZEđược gọi là tổng trở tương đương mạch ngoài.

Hình 3.8 Sơ đồ tương đương hai cửa thống:

Các thông số mạng hai cửa được xác định khi tách đường dây ra khỏih ệ Điệnáptạicácnúttrongtìnhtrạnghởmạchđườngdâyvới ảnhhưởng của nguồnkhi I 

U (3.38) Điện áp tại các nút 1 và 2 như sau:

Xét các thông số mạng hai cửa khi hở mạch đường dây và nối tắt các sức điện động Giả sử I 

2 0, các phần tử cột thứ nhất của ma trận tổng trở là như sau:

Giả sử trở là nhưsau:

2 1(đơn vị), các phần tử cột thứ hai của ma trận tổng

3.4.2.2 Tổng trở tương đương từ thông số mạng haicửa

Thông số mạng hai cửa có thể được xác định từ việc đơn giản hoá ma trận tổng trở nút Khi ấy:

Mạng hai cửa tích cực

3.4.2.3 Mạch tương đương đường dây khi ngắn mạch ba pha qua tổng trở chạm

Hình 3.9 Mạng hai cửa đường dây sự cố ngắn mạch

Hình 3.9 biểu diễn mạng thứ tự thuận khi đường dây xảy ra sự cố ngắn mạch qua tổng trở chạm trung gian Z 

N được dùng để tính ngắn mạch 3 pha Sơ đồ thứ tự nghịch và thứ tự không cũng có thể được thành lập để tính ngắn mạch bất đối xứng ở phần sau và d là tỉ lệ khoảng cách từ đầu đường dây tới chỗ sự cố ngắn mạch so với chiều dài đường dây.

Và các dòng điện ở mỗi đầu đường dây là như sau:

Biểu thức (3.53) biểu diễn giá trị dòng điện đầu đường dây theo điện thế nguồn hai cửa hở mạch Nếu biểu diễn theo sức điện động mạch tương đương thì sẽ là như sau:

3.4.3 Phân tích sự cố ngắn mạch ba pha trên đườngdây

Hình 3.10 Hệ thống trước sự cố ngắn mạch

Sơ đồ tương đương trước sự cố ngắn mạch được biểu diễn như Hình 3.10.

Khi ấy, các giá trị dòng và áp là:

Trước sự cố ngắn mạch, điện áp tại N:

3.4.3.2 Khi có sự cố ngắnmạch

Khi có sự cố ngắn mạch qua tổng trở chạm biểu diễn như Hình 3.11.

Hình 3.11 Hệ thống bị sự cố ngắn mạch qua tổng trở chạm

Từ Hình 3.11, dòng điện và điện áp khi có sự cố ngắn mạch được biễu diễn như sau:

3.4.3.3 Khi có sự cố ngắn mạch nhưng không xét đến dòngtải

Trong trường hợp không kể đến ảnh hưởng của dòng tải, sơ đồ tương đương Hình 3.12 được biểu diễn như sau Trong đó, sự cố ngắn mạch tại điểm chạm.

Hình 3.12 Hệ thống bị sự cố ngắn mạch không xét đến dòngtải

Khi ấy, các biểu thức dòng điện và điện áp được viết lại nhưsau:

Mô hình đường dâytruyềntải

Đối tượng của bài toán định vị sự cố ngắn mạch trong nghiên cứu này là các đường dây truyền tải Mô hình hóa đường dây truyền tải 3 pha cân bằng với cáct h ô n g s ố c ủ a đ ư ờ n g d â y n hư đ i ệ n t r ở , đ i ệ n c ả m v à đ i ệ n d u n g giảs ử đ ã đượcxácđịnh.Cáchằngsốmạch( A  ,B  ,C , D )đượcsửdụngđểmôtảmốiliên hệgiữacácđạilượngđầuphát( U  P ,I 

N) bởicác mạch tương đương hìnhvà T tương ứng của mạng 2 cửa, thụ động và tuyến tính tượng trưng cho đườngdâytruyền tải.Tùytheo mức độ chính xác, sẽ có mạch tương đương của đường dây ngắn, trung bình vàdài.

3.5.1 Mô hình đường dây truyền tảingắn

Hiện tại, chưa có một quy ước cụ thể cho đường dây ngắn, trung bình và dài, vì quy ước còn phụ thuộc vào mức độ chính xác của bài toán Về mặt giải tích, mô hình tương đương một đường dây ngắn áp dụng tốt cho đường dây có chiều dài nhỏ hơn 50 km.

Mạch tương đương của đường dây ngắn bao gồm tổng trở nối tiếp của đường dây và là tổng trở tập trung.

Hình 3.13 Mạch tương đương của đường dây ngắn

Hằng số mạch cho đường dây ngắn:

3.5.2 Mô hình đường dây truyền tải trungbình

Khi chiều dài của đường dây tăng lên, nếu chỉ dùng sơ đồ đường dây ngắn sẽ không chính xác, vì như vậy đã bỏ qua tổng dẫn rẽ (dung dẫn) của đường dây Quy ước giữa đường dây dài và trung bình thường vào khoảng 200 – 250 km. Đường dây trung bình có thể thay thế gần đúng bằng mạch tương đương

Hình 3.14 Mạchchuẩn của đường dây có chiều dài trung bình

Trong đó: z0: Tổng trở của một đơn vị chiều dài dây; l: Chiều dài đường dây.

Tổng dẫn mắc rẽ của mỗi pha đường dây đối với trung tính trên toàn chiềudàiđườngdây:Yy0l được chia làm phân nửa và mỗi Y

0 là dung dẫn trên mỗi đơn vị chiều dài đường dây. Điện áp và dòng điện đầu phát:

4 Điện áp đầu nhận lúc khôngtải,

A đối với đường dây chiều dài trung bìnhnên U  N 0  U 

P do ảnh hưởng của điện dung đường dây.

3.5.2.2 Mạch Tchuẩn Đường dây có thể được biểu diễn gần đúng xét đến ảnh hưởng của điệndungđườngdâybằngmạchTchuẩn.Khiấy,cáchằngsố( A  ,B  ,C , D )củamạch

Hình 3.15 Mạch T chuẩn của đường dây có chiều dài trung bình

3.5.3 Mô hình đường dây truyền tảidài

3.5.3.1 Đường dây truyền tải dài Đối với đường dây dài, việc sử dụng các thông số tập trung không còn chính xác mà phải sử dụng thông số rải trên toàn đường dây Vì vậy, xét một đoạn vi cấp của đường dây Khi ấy, khảo sát ảnh hưởng của điện dung phân bố và mối liên quan với tổng trở vi cấp của đường dây. dU

Hình 3.16 Một đoạn vi cấp của đường dây dài

Xét một đoạn vi cấp dx ở cấp đầu nhận một đoạn x. Điện áp ngang qua phần vi cấp là: dUIzdx (3.90)

Sự biến thiên của dòng điện trong đoạn vi cấp là: dI  U  ydx (3.91) zy z y

0 shmx chm x I N  Trong đó: m :Hằngsốtruyền (3.97)

2 (3.100) mujv u: Hằng số biên độ; v: Hằng số pha.

Có thể nhận thấy rằng trong U   x  bao gồm các véc-tơ pha U  Z I 

U  ZI  Các thừa số e ux và e ux ảnh hưởng đến biên độ của các véc-tơ

N 0N pha, khi x tăng thì pha khi x thayđổi e ux tăng, e ux giảm Các thừasố e jvx và e jvx làm thay đổi góc e ux e jvx     : Sóng điện áp tới;

2 U N Z 0 I N e ux e jvx     : Sóng điện áp phản xạ.

2 U N Z 0 I N Điện áp một điểm trên đường dây là tổng số của hai điện áp chồng chất của sóng điện áp tới và phản xạ. e ux e jvx   

2 Y 0 U N I N e ux e jvx     : Sóng dòng điện phản xạ.

* Trường hợp đường dây hở mạch (I

Tại đầu nhận (x=0), sóng tới và sóng phản xạ của điện áp đều bằng U  N

2 và cộng với nhau bằngđúngn h a u

3.5.3.2 Mạch tương đương của đường dây truyền tảidài

Từhằngsố( A  ,B  ,C , D )củađườngdâydàidướidạngcáchàmhyperbolic, có thể suy ra mạch tương đương chính xác của đường dây dài ở trạng thái xác lập Hai loại mạch tương đươngvà T được trình bày nhưsau: a Mạchtươngđương

Hình 3.17 Mạchtương đương của đường dây dàiNếuđườngdâycóchiềudàilthìcáchằngsố A và B là nhưsau:

Hình 3.18 Mạch T tương đương của đường dây dài

Các hằng số mạch được biểu diễn như sau:

Các thuậttoán meta-heuristic

Để giải các bài toán tối ưu hóa, một trong những thuật toán được sử dụng phổ biến hiện nay là các thuật toán meta-heuristic Trong nghiên cứu này, các thuật toán như thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, thuật toán tìm kiếm chim tu hú, và thuật toán bầy ong nhân tạo được trình bày để áp dụng giải các bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên các đường dây truyền tải từ đơn giản cho đến phức tạp.

Thuật toán di truyền là lĩnh vực được biết đến nhiều nhất trong số các kỹ thuật tiến hóa Nguyên lý cơ bản của thuật toán di truyền đã được J H Holland công bố [77] Thuật toán di truyền được ứng dụng chủ yếu vào hai lĩnh vực chính là tối ưu hóa và máy thông minh Bản chất của thuật toán di truyền là tìm kiếm ngẫu nhiên kết hợp với việc tìm kiếm theo định hướng dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên, di truyền và tiếnhóa.

Thuật toán di truyền bao gồm các bước sau:

+ Bước 1: Khởi tạo quần thể bao gồm nhiều cá thể.

+ Bước 2: Xác định độ phù hợp của các cá thể.

+ Bước 3: Chọn lọc các cá thể tương ứng với độ phù hợp của chúng và tạo ra các cá thể mới bằng cách kết hợp các cá thể hiện có, áp dụng các toán tử lai tạo và đột biến.

+ Bước 4: Loại bỏ những cá thể có độ phù hợp kém.

+ Bước 5: Xác định độ phù hợp của các cá thể mới và đưa trở lại vào quần thể gốc để hình thành quần thể mới.

+ Bước 6: Kiểm tra điều kiện ngừng lặp Nếu chưa thỏa quay lại bước 3.

Thiết lập quần thể gốc bao gồm nhiều cá thể

Thỏa điều kiện ngừng l p ? ặp ? Đúng

Kết thúc Đưa các cá thể mới vào quần thể gốc để hình thành quần thể mới

Loại bỏ các cá thể có độ phù hợp kém

Chọn lọc các cá thể theo độ phù hợp và tạo ra các cá thể mới bằng các toán tử lai tạo và đột biến

Xác định độ phù hợp của mỗi cá thể

Hình 3.19 Lưu đồ của thuật toán di truyền

Thuật toán di truyền bao gồm các thành phần cơ bản sau đây:

+ Kỹ thuật mã hóa biểu diễn các lời giải của bài toán dưới dạng các nhiễm sắc thể hay cá thể.

+ Kỹ thuật khởi tạo quần thể ban đầu.

+ Các toán tử di truyền bao gồm chọn lọc cá thể, lai tạo và đột biến.

+ Hàm đánh giá đóng vai trò của môi trường, đánh giá các cá thể hay lời giải theo độ phù hợp của chúng.

+ Giá trị của các thông số bao gồm kích thước quần thể, xác suất lai tạo, xác suất đột biến,

3.6.2 Thuật toán tối ưu hóa bầyđàn

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn là một trong những thuật toán xây dựng dựa trên khái niệm trí tuệ bầy đàn để tìm kiếm lời giải cho các bài toán tối ưu hóa trên một không gian tìm kiếm nào đó Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn là một dạng của các thuật toán tiến hóa quần thể đã được biết đến trước đây như thuật toán di truyền, thuật toán đàn kiến Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn là kết quả của sự mô hình hóa việc đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn Vì vậy, thuật toán này được xếp vào loại thuật toán có sử dụng trí tuệ bầy đàn Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn được giới thiệu vào năm 1995 bởi James Kennedy và Russell C. Eberhart [77] Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa. Để hiểu rõ thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, xét quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn chim Lúc này, không gian tìm kiếm thức ăn là toàn bộ không gian ba chiều Tại thời điểm bắt đầu tìm kiếm, cả đàn bay theo một hướng nào đó, có thể là rất ngẫu nhiên Tuy nhiên, sau một thời gian tìm kiếm một số cá thể trong đàn bắt đầu tìm ra được nơi có chứa thức ăn Tùy theo số lượng thức ăn vừa tìm kiếm, mà cá thể gửi tín hiệu đến các cá thể khác đang tìm kiếm ở vùng lân cận, tín hiệu này nhanh chóng lan truyền trên toàn quần thể Dựavàothông tin nhận được mỗi cá thể sẽ điều chỉnh hướng bay và vận tốc theo hướng về nơi có nhiều thức ăn nhất Cơ chế truyền tin này được xem như là một kiểu hình của trí tuệ bầy đàn Cơ chế này giúp cả đàn chim tìm ra nơi có nhiều thức ăn nhất trên không gian tìm kiếm vô cùng rộng lớn Như vậy, đàn chim đã dùng trí tuệ, kiến thức và kinh nghiệm của cả đàn để nhanh chóng tìm ra nơi có thức ăn. Làm thế nào một mô hình trong sinh học có thể được áp dụng để giải quyết các bài toán tối ưu hóa, việc mô hình hóa là cần thiết và thông thường được gọi là quá trình phỏng sinh học mà phổ biến trong các ngành khoa học khácnhau.

Một thuật toán được xây dựng dựa trên việc mô hình hóa các quá trình trong sinh học được gọi là thuật toán phỏng sinh học.

Xét bài toán tối ưu của hàm số F trong không gian n chiều Mỗi vị trí trong không gian là một điểm tọa độ n chiều Hàm F là hàm mục tiêu xác định trong không gian n chiều và nhận giá trị thực Mục đích là tìm ra điểm cực tiểu in in của hàm F trong miền xác định nào đó Bắt đầu xem xét sự liên hệ giữa bài toán tìm thức ăn với bài toán tìm cực tiểu của hàm theo cách nhưsau.

Giả sử rằng số lượng thức ăn tại một vị trí tỉ lệ nghịch với giá trị của hàm F tại vị trí đó, có nghĩa là ở một vị trí mà giá trị hàm F càng nhỏ thì số lượng thức ăn càng lớn Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tương tự như việc tìm ra vùng chứa điểm cực tiểu của hàm F trên không gian tìmkiếm.

Kennedy và Eberhart phát triển thuật toán tối ưu hóa bầy đàn dựa trên hành vi của các cá thể trong một quần thể Họ đã nhận thấy rằng các cá thể của quần thể dường như đã chia sẻ thông tin giữa chúng với nhau, làm tăng hiệu quả của quần thể Mỗi cá thể tương ứng với một giải pháp cho vấn đề Cá thể trong quần thể tiếp cận các mục tiêu thông qua việc tối ưu vận tốc của nó hiện có, kinh nghiệm đã có trước đây và kinh nghiệm của các cá thể lâncận.

Trong không gian tìm kiếm n chiều, vị trí và vận tốc của cá thể i đượcmô tả bằng các véc-tơ X i = (xi1,…, xin) và Vi= (vi1,…, vin).

Trong thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, Pbesti= (xi1 Pbest,…, xPbest) là vị trí tốt nhất cho đến hiện thời của cá thể i và Gbesti= (xi1 Gbest,…, xGbest) là vị trítốt nhất của cả quần thể.

Xét một quần thể của p cá thể trong không gian thiết kế n chiều Vị trí véc-tơ Xi kcủa mỗi cá thể i được cập nhật bởi biểu thức (3.123).

Vi k+1: Véc-tơ vận tốc thu được từ quy luật vận tốc, được cho bởi biểu thức(3.124).

Xi k: Vị trí của cá thể i tại vòng lặp k;

Xi k+1: Vị trí của cá thể i tại vòng lặp k+1;

Vi k: Vận tốc của cá thể i tại vòng lặp k;

Vi k+1: Vận tốc của cá thể i tại vòng lặp k+1;

X ik V iPbest Pbest ik c1: Hệ số kinh nghiệm của cá thể; c2: Hệ số quan hệ xã hội của cá thể; rand1và rand2: Các số ngẫu nhiên trong khoảng [0, 1];

Pbesti k: Vị trí tốt nhất của cá thể i cho đến vòng lặp k;

Gbesti k: Vị trí tốt nhất của quần thể cho đến vòng lặp k. v

Hình 3.20 Nguyên lý thay đổi vị trí của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn trong không gian

Hình 3.20 thể hiện nguyên lý tìm kiếm của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn sử dụng sự thay đổi vận tốc và vị trí của cá thể dựa trên các biểu thức (3.123)và (3.124) trong trường hợp giá trị của,c1, c2, rand1, rand2là 1 Trong đó, Xi kvị trí của cá thể i tại vòng lặp k và cần phải xác định vị trí của cá thể i tại vòng lặp tiếp theoXi k+1.

Theo biểu thức (3.123), để xác định Vi k+1, cần phải biết thêm véc-tơ

Vi k+1 Theo biểu thức (3.124), Vi k+1gồm có ba thành phần Trong đó,Vi kthểhiện quán tính tìm kiếm của cá thể, mỗi khi tìm kiếm cá thể có xu hướng quentheo quán tính của những lần tìm kiếm trước đây; c 1 rand1(Pbesti k-

Xi k) thể hiệnkinh nghiệm của bản thân cá thể có được qua những lần tìm kiếm trước đây vàhướng về vị trí tốt nhất Pbest i k mà bản thân cá thể có được c2rand2(Gbesti k- Xi k) thể hiện khả năng giao tiếp học tập các cá thể khác tốt nhất trong quần thể và hướng về vị trí tốt nhất của quần thể có được cho tới hiện thời Gbesti k.T ổ n g

Khởi tạo giá trị ban đầu k

Sai Điều kiện dừng Đúng

Cập nhật vận tốc, vị trí vi , kkxi cho cá thể i bestbest gán giá trị tốt nhất của quần thể f i , f g Cập nhật giá trị tốt nhất của cá thể i, và

Xác định giá trị hàm mục tiêu f(x) đối với cá thể i vi , kkxi Khởi tạo giá trị ngẫu nhiên của vận tốc và vị trí ban đầu của tất cả các cá thể hợp của ba phần tử trên, thu được véc-tơ Vi k+1là véc-tơ vận tốc của cá thể i tại vòng lặp k+1 Sau khi có véc-tơ vận tốc Vi k+1, kết hợp với véc-tơ vị trí Xi ktại vòng lặp thứ k, thu được véc-tơ vị trí Xi k+1của cá thể i tại vòng lặp thứ k+1.

Hình 3.21 Lưu đồ của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn

Qua nghiên cứu, nhận thấy rằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn có một số ưu điểm như sau:

+ Thuật toán đơn giản và dễ dàng thực hiện.

+ Thuật toán tìm kiếm trong tất cả không gian bài toán mà không phải riêng từng điểm.

+ Hàm cập nhật vị trí của cá thể có độ dốc tự do, giúp thuật toán hội tụ nhanh.

+ Thuật toán có khả năng tính toán đồng thời các cá thể riêng biệt để kết quả tối ưu toàn cục.

+ Thuật toán sử dụng các hàm mục tiêu và hàm tính toán độ phù hợp để trả về trực tiếp kết quả.

+ Thuật toán phù hợp với những hàm mục tiêu không liên tục và không khả vi.

+ Thuật toán có khả năng tìm kiếm trong những vùng không gian phức tạp và không chắc chắn để tìm ra lời giải tối ưu toàn cục; do đó, thuật toán linh hoạt và tốt hơn các kỹ thuật giải toán tối ưu truyền thống khác.

+ Thuật toán dễ dàng thực hiện song song các quần thể để tìm kiếm lời giải tối ưu.

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn cơ bản được mô tả theo 8 bước như sau: + Bước 1: Khởi tạo bầy đàn với vị trí và giá trị vận tốc ngẫu nhiên N chiều trong không gian tìm kiếm;

+ Bước 2: Bắt đầu vòng lặp;

Kết quả định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải sử dụng các thuậttoánmeta-heuristic