bài tập lớn bảo vệ relay trong hệ thống điện đề tài tác động của tự động hóa lưới phân phối lên bảo vệ relay

Một số triển khai ứng dụng DA ảnh hưởng đếncấu hình hệ thống và do đó có thể ảnh hưởng đến việc bảo vệ relay.Tài liệu này diễn đạt một số ý kiến về vấn đề này bằng cách cung cấp sơ lược

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN: BẢO VỆ RELAY

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Đề tài: Tác động của tự động hóa lưới phân phối

lên bảo vệ relay

Cán bộ hướng dẫn: Đặng Tuấn Khanh

Phân chia công việc

MỤC LỤC

1 Giới Thiệu 4

1.1 Tóm tắt 4

1.2 Mục đích 4

2 Lịch sử tự động hóa lưới phân phối 4

2.1 Lịch sử tự động hóa đường dây phân phối 4

2.2 Ứng dụng tự động hóa lưới phân phối ngày nay 5

3 Các ảnh hưởng đối với ứng dụng và cài đặt của relay 5

3.1 Cấu hình lại mạch 5

3.1.1 Vị trí lắp đặt các thiết bị phân khúc tải 8

3.1.2 Vấn đề cung cấp tải 11

3.1.3 Vòng lặp 11

3.1.4 Vị trí lỗi, cách ly và khôi phục dịch vụ (FLlSR) 12

3.2 Ảnh hưởng đối với các phương án bảo vệ khác nhau 16

3.2.1 Bảo vệ quá dòng sử dụng nhiều nhóm thiết lập 16

3.2.2 Bảo vệ quá dòng sử dụng relay thích ứng 16

3.3 Vùng bảo vệ 17

3.4 Relay quá dòng thích nghi 17

3.5 Đồng bộ hóa Bảo vệ Quá dòng 19

3.6 Yêu cầu về thiết bị bảo vệ để cho phép hệ thống tự điều chỉnh 20

3.6.1 Cầu chì tiết kiệm và cầu chì đứt 20

3.6.2 Xác định vị trí lỗi 22

3.6.3 Tinh chỉnh đơn lẻ và nhóm thiết lập sẵn 23

3.6.4 Các lưu ý: 23

3.6.5 Điện áp: 23

3.6.6 Tụ điện: 23

3.6.7 Nguồn điện trên hệ thống phân phối 24

1 Giới Thiệu.

1.1 Tóm tắt.

Tự động hóa lưới phân phối (DA) là một phần của sự phát triển của hệ thống phânphối điện ngày nay Nhiều công ty điện đã triển khai một số ứng dụng tự động hóa phânphối (ví dụ: điều khiển từ xa các công tắc tải và máy cắt, tự động cấu hình lại, phát hiệnlỗi, xác định vị trí lỗi, kiểm soát điện áp và công suất phản kháng, hạ tầng đo lường tiêntiến (Advanced Metering Infrastructure-AMI), v.v.), xu hướng này không thể phủ nhận

và đang mở rộng

Công nghệ bảo vệ hiện đại cung cấp khả năng sử dụng để tối ưu hóa hoạt động mạng

và phối hợp được với các ứng dụng DA Một số triển khai ứng dụng DA ảnh hưởng đếncấu hình hệ thống và do đó có thể ảnh hưởng đến việc bảo vệ relay

Tài liệu này diễn đạt một số ý kiến về vấn đề này bằng cách cung cấp sơ lược lịch sử,

mô tả cách các kế hoạch khác nhau có thể ảnh hưởng đến relay, mô tả tác động lên ứngdụng và cài đặt relay, và kết luận về tác động lên bảo trì hệ thống

1.2 Mục đích.

Mục đích của tài liệu này là nghiên cứu tác động của việc tự động hóa lưới phân phốilên bảo vệ relay khi được áp dụng trên hệ thống phân phối chính Đối với mục đích củatài liệu này, DA được xác định là việc phân đoạn và cấu hình lại mạch phân phối, baogồm việc sử dụng công tắc chuyển mạch tự động hoặc từ xa, tự đóng lại, ngắt lỗi, phânđoạn và / hoặc kiểm soát tụ điện tự động Hoạt động của cầu chì có thể bị ảnh hưởng saukhi cấu hình lại và hậu quả của vận hành sai lầm nên được xem xét Tuy nhiên, thảo luậnchi tiết về cầu chì nằm ngoài phạm vi của tài liệu này

2 Lịch sử tự động hóa lưới phân phối.

2.1 Lịch sử tự động hóa đường dây phân phối

Theo thời gian, công nghệ đã phát triển bao gồm việc giám sát từ xa và điều khiểncác công tắc phân phối bằng động cơ, tự đóng lại Cũng có nhu cầu cho các thiết bị giámsát điện áp pha và dòng tại các thiết bị giám sát mới này Trong khi VT và CT truyềnthống có thể thực hiện chức năng này, nhưng vẫn cần có một giải pháp nhỏ hơn và giáthành rẻ hơn Những thiết bị này được gọi là cảm biến dòng và điện áp và trong một sốtrường hợp trông giống như cột cách điện dòng phân phối Với việc thêm các cảm biếnnày tại các vị trí trên đường dây, dữ liệu về hệ thống sẽ nhiều hơn để các khối logic cục

bộ thực hiện các hoạt động thiết bị tại chỗ

Đầu những năm 2000, relays kĩ thuật số đã được tích hợp trong các bộ điều khiểngắn trên các cột cho tự đóng lại của lưới phân phối Trong một số trường hợp, các thiết bịnày phức tạp hơn cả các relay tại phụ tải được triển khai trong các trạm biến áp Chúng

có đủ khả năng xử lý để thực hiện đồng thời các chức năng bảo vệ và giao tiếp Điều nàyđặt ra thách thức trong việc phối hợp công nghệ mới với các relay cũ.

Khi khả năng của các relay kĩ thuật số trên đường dây được cải thiện, các thuậttoán đã cho phép vận hành của relay dựa trên các chỉ số dòng định mức Một số tự đóngđóng lại ba pha đã có khả năng hoạt động như ba tự đóng lại một pha hoặc là một loại kếthợp có cả hoạt động một pha và khóa ba pha Để cải thiện chỉ số đáng tin cậy, chức năngquyết định khi nào chuyển sang hoạt động một pha thay vì ba pha đã được phát triển Ví

dụ, các relay kĩ thuật số trên đường dây có thể được điều khiển để hoạt động như đóngngắt dòng một pha cho tải dưới một giá trị xác định và đóng ngắt dòng ba pha khi tảivượt quá giá trị đó

2.2 Ứng dụng tự động hóa lưới phân phối ngày nay.

Tự động hóa lưới phân phối (DA) đã phát triển để bao gồm một loạt các ứng dụngbao gồm giám sát, điều khiển, cấu hình lại, báo cáo và đánh giá

Các ứng dụng này có thể chia sẻ chức năng, cảm biến và đặc biệt là giao tiếp với cácứng dụng DA khác Sự tích hợp này, khi được thiết lập đúng cách, có thể giảm chi phí vàcải thiện lợi ích cho hệ thống DA toàn cầu

Các thiết lập DA có nhiều loại và phức tạp, từ các ứng dụng đơn giản sử dụng thiết bịtại chỗ, độc lập đến tự động hóa trên toàn hệ thống, được điều khiển tập trung Các thiếtlập cục bộ sử dụng một hình thức thông minh có thể được kết nối với các trung tâm kiểmsoát lớn, và cũng có thể kết nối với các trung tâm kiểm soát trung ương lớn hơn Các thiếtlập DA, chẳng hạn như xác định vị lỗi, cô lập và khôi phục dịch vụ (Fault Location,Isolation, and Service Restoration - FLISR) hoặc cấu hình tối ưu lưới lại, việc này có thểảnh hưởng đến bảo vệ relay Những thiết lập này cũng có thể ảnh hưởng đến đóng góp vàhướng của mức lỗi, đặc biệt là đối với các hệ thống hoạt động ở chế độ vòng lặp (mục3.1.3) hoặc có nguồn từ bên ngoài (mục 3.6.7)

3 Các ảnh hưởng đối với ứng dụng và cài đặt của relay

Cấu hình lại mạch là việc sửa đổi cấu trúc liên kết của mạng phân phối bằng cáchvận hành các thiết bị đóng cắt NC (Thường đóng) và NO (Thường mở) hoặc các máyđóng lại mạch Các công tắc nằm dọc theo các nguồn cấp dữ liệu là NC và cho phép cách

ly các phần của nguồn cấp dữ liệu khi được yêu cầu Chúng còn được gọi là Công tắcphân chia Các công tắc được kết nối giữa hai nguồn cấp dữ liệu là NO và cho phép

chuyển tải giữa các nguồn cấp dữ liệu khi chúng đóng lại Chúng còn được gọi là Côngtắc khóa.

Mạch phân phối có thể được cấu hình lại, chủ động hoặc tự động:

mạch cho sự thay đổi vĩnh viễn hoặc tạm thời đối với hệ thống phân phối nhằm cảithiện tình trạng hoạt động của hệ thống Các yếu tố cần được xem xét bao gồmviệc cải thiện đặc tính điện áp, giảm tổn thất năng lượng, bảo trì hoặc sửa chữa các

bộ phận của mạch hoặc để giảm bớt tình trạng quá tải tạm thời trên hệ thốngtruyền tải hoặc phân phối Việc cấu hình lại cũng có thể được thực hiện thủ công,bằng điều khiển giám sát hoặc bằng tự động hóa Trong mọi trường hợp, dự kiến rơle bảo vệ cho các mạch bị ảnh hưởng đã được đánh giá và thay đổi khi cần thiếtcho việc cấu hình lại mạch mới

trạng hệ thống, chẳng hạn như đối với FLISR yêu cầu điều khiển tự động từ xahoặc cục bộ và một số thông tin thông minh để phân tích tình hình lỗi và quyếtđịnh các cấu hình thay thế để khôi phục dịch vụ cho số lượng khách hàng tối đa.Việc cấu hình lại tự động này có thể yêu cầu cài đặt bảo vệ có thể được lập trìnhtrước dưới dạng (các) nhóm cài đặt thay thế và cũng có thể yêu cầu thiết bị bảo vệ

để hỗ trợ đảo chiều dòng điện và dòng điện từ hướng bình thường

Tùy thuộc vào nguyên nhân, mạch có thể duy trì ở trạng thái được cấu hình lạitrong vài phút đến vài ngày và trong một số trường hợp là vĩnh viễn Do đó, kỹ sư bảo vệgặp khó khăn trong việc xác định liệu các cài đặt bảo vệ có thể được áp dụng để phù hợpvới tất cả các cấu trúc liên kết mạch có thể có, do chuyển mạch tự động và/hoặc SCADAhay không, hoặc liệu có lợi hơn khi chấp nhận hậu quả của việc giảm biên độ phối hợpkhi các phân đoạn được thêm vào cấu trúc liên kết thông thường của mạch (ví dụ: tổng tảicủa cấu trúc liên kết mới lấn chiếm hoặc vượt quá cài đặt quá tải bảo vệ dự kiến) Quanđiểm này dễ dàng được đánh giá cao hơn khi bổ sung thêm các yếu tố lành mạnh ở cácphân đoạn do một phân đoạn bị lỗi vĩnh viễn trên mạch liền kề, vì khả năng xảy ra lỗi thứ

hai trên một phân đoạn bổ sung có thể được coi là không thể xảy ra Ngoài ra, khả năngthay đổi cấu hình lại mạch trong điều kiện khẩn cấp có thể rất nhiều đến mức không thểđạt được sự phối hợp chấp nhận được và/hoặc độ nhạy có thể phải được giảm bớt.

Khi công nghệ bảo vệ có trong các bộ phận ngắt lỗi cho phép, một số giải pháp tựđộng hóa và/hoặc SCADA nhất định có thể cho phép áp dụng các cài đặt bảo vệ thay thếphù hợp hơn với mạch được cấu hình lại Tuy nhiên, khi ngày càng có nhiều người dùngtập trung vào việc tối ưu hóa hiệu quả cung cấp điện, cấu trúc liên kết thông thường củamạch điện trung thế có thể thay đổi tùy theo chiến lược điều động kinh tế Do đó, các kỹ

sư bảo vệ sẽ ngày càng gặp nhiều thách thức trong việc cung cấp các khái niệm bảo vệ tựđộng thích ứng với trạng thái được cấu hình lại của mạch

Một số cân nhắc về rơle bảo vệ là:

đóng lại để cho phép các thiết bị bảo vệ cố gắng khắc phục các lỗi tạm thời vàkhôi phục dịch vụ tự động đóng lại

 Rơle mạch phân phối phải có khả năng "nhìn thấy" tất cả các lỗi sau khi tất cảhoặc một phần của mạch lân cận đã được chuyển sang mạch đó và có thể cần phảixem lại cài đặt như một phần của việc cấu hình lại mạch

đối với các lỗi này) và cắt không có lỗi (sa thải tải, vận hành dưới tần số, cắt thủcông) Các tiện ích dựa vào rơle bảo vệ để biết thông tin đó

Việc triển khai hệ thống cấu hình lại tự động là một thay đổi lớn đối với hoạt độngthông thường của hệ thống nơi có sự xem xét và quyết định của con người Sự thay đổinày phải được quản lý để đảm bảo với người lao động rằng hệ thống này an toàn Mộtcách chung để tiến hành và thực hiện việc cấu hình lại tự động cần thời gian để đạt đếnđiểm mà tất cả các phân tích được thực hiện tự động và cấu hình mới được đề xuất cho

người vận hành để được phê duyệt Sau một thời gian, nếu hệ thống được thiết kế tốt,người vận hành sẽ thấy hệ thống an toàn và không cần đến quyết định của con người nữa.

Một vấn đề an toàn khác là vô hiệu hóa việc cấu hình lại mạch tự động DA trongquá trình làm việc trên đường dây nóng (tương tự như việc đóng lại)

3.1.1 Vị trí lắp đặt các thiết bị phân khúc tải

Việc cải thiện khả năng quản lý tải thông qua việc cấu hình lại mạch đòi hỏi phảiđặt các thiết bị phân đoạn để tải có thể được cấp từ hai hoặc nhiều nguồn Các công tắcđiều khiển từ xa, cầu dao, máy cắt hoặc bộ phân đoạn có thể được sử dụng làm thiết bịchuyển mạch Các bộ cấp nguồn được phân chia theo từng phần xem xét tính linh hoạtcủa dịch vụ, độ tin cậy của dịch vụ và mức độ ưu tiên tải cùng với các thông số khác

Khả năng truyền tải giữa các nguồn cấp dữ liệu lân cận được thực hiện bằng cáchlắp đặt các công tắc nối giữa chúng Do có một số lượng hạn chế các vị trí chuyển mạchnối giữa các mạch, phải được thực hiện để xác định vị trí tối ưu Các vị trí ứng cử điểnhình cho các công tắc NO này thường là các nút kép nơi các bộ cấp nguồn gặp nhau

Bất kỳ vị trí chuyển mạch nào cũng phải được xác nhận bằng phân tích độ tin cậycũng như các cân nhắc về mặt kinh tế (doanh thu, chi phí lắp đặt, bảo trì, v.v.) Phân tíchdòng tải cũng được khuyến nghị để đánh giá đầy đủ rằng các thông số như cấu hình điện

áp, hệ số công suất, tổn thất tổng, v.v., nằm trong phạm vi chỉ định cho các cấu hình khácnhau Hướng dẫn cho những nghiên cứu này nằm ngoài phạm vi của tài liệu này

Hình 3.1 minh họa tính linh hoạt được cung cấp bởi một số điểm kết nối kép vàminh họa lợi thế liên quan đến việc đặt công tắc kết nối tại các vị trí khác nhau của điểmkết nối kép hiện có Những thứ kia nằm ở phần đầu của các bộ cấp nguồn, chẳng hạn như

số 5, không cung cấp khả năng truyền tải một phần thông qua hoạt động của công tắc NC

mà chỉ cho phép truyền toàn bộ tải Tuy nhiên, tùy chọn này sẽ yêu cầu loại bỏ nguồn ởSUB A hoặc SUB B để giữ cho bộ cấp nguồn hướng tâm

Các điểm kết nối kép nằm ở phần thứ hai của bộ cấp liệu, chẳng hạn như số 6, chỉ

có khả năng chuyển 2/3 tải trọng để giữ cho bộ cấp liệu hướng tâm

Các điểm kết nối kép nằm ở phần cuối của bộ cấp liệu, chẳng hạn như số 7, chophép chuyển một hoặc hai phần ba tải trọng của bộ cấp liệu Do đó công tắc đặt ở số 7 cókhả năng linh hoạt hơn công tắc đặt ở số 8 trong việc thực hiện chuyển đổi

Mặc dù công tắc ở phần cuối mang lại sự linh hoạt nhất nhưng vẫn cần phải cânnhắc những điều khác Trong số những cân nhắc này, nhìn chung, càng gần trạm biến ápthì biên dạng điện áp để truyền tải càng cao Với suy nghĩ này, rõ ràng là công tắc NOđược lắp đặt ở đoạn cuối nhưng gần các trạm biến áp hơn sẽ mang lại điều kiện tốt hơn

để nhận tải từ các lộ xuất tuyến lân cận, có tính đến tổn thất và mức điện áp

Hình 3.1 - Tính linh hoạt của thiết bị chuyển mạch phân đoạn NO và NCĐối với các khu vực đô thị đông đúc, nơi các hệ thống ngầm nổi bật hơn, có thểđạt được khả năng phân đoạn tương tự bằng cách sử dụng thiết bị đóng cắt kiểu bệ hoặcchìm có nhiều vị trí cấp nguồn và vị trí tải Hình 3.2 minh họa cấu hình vòng ngầm trong

đó các lộ được tải tới 75% công suất tối đa và được chia thành ba phần

Vì thiết bị đóng cắt có giá đỡ này có nhiều hơn hai vị trí cấp nguồn nên chúngcũng có thể được sử dụng thay cho nhiều công tắc trên cao nơi có giao lộ ba chiều hoặcbốn chiều (ví dụ: cung cấp chức năng của công tắc 1 và 3 và công tắc ở vị trí 6 trongHình 3.1, nếu tất cả các công tắc này ở cùng một vị trí gần nhau)

Hình 3.2 Minh họa cấu hình vòng ngầmCáp trung chuyển kết nối với bộ điều khiển động cơ thiết bị đóng cắt

Cáp trung chuyển Thường mở ở vị trí trung chuyển của thiết bị đóng cắt

Tải cáp

3.1.2 Vấn đề cung cấp tải

Có nhiều vấn đề về phân phối tải mà các thiết bị bảo vệ cần giải quyết trong hoặcsau khi cấu hình lại mạch:

 Chuyển mạch chuyển tiếp đóng (tức là nguồn song song tạm thời, bộ cấp nguồnkhông hướng tâm)

3.1.3 Vòng lặp

Quy trình cấu hình lại được đề xuất trước đó buộc hệ thống phải hoạt động ở chế

độ vòng lặp do các bộ cấp nguồn được kết nối trong khi công tắc buộc đóng và trước khibất kỳ công tắc liên kết nào được mở Trong điều kiện này, hệ thống phải chịu hai tácđộng không mong muốn:

nguy hiểm cho khả năng chịu đựng của thiết bị được kết nối với nó

có thể bị xáo trộn chủ yếu do các rơle không có tính định hướng

Bất chấp những ảnh hưởng này, tình huống này có thể chấp nhận được và đángxem xét, miễn là tất cả các thiết bị được lắp đặt đều được đánh giá ở trạng thái ngắn mạchnghiêm trọng nhất Ngoài ra, người vận hành cần lưu ý rằng nếu xảy ra lỗi trong quá trìnhchuyển mạch, nhiều bộ cấp nguồn có thể ngắt đồng thời Điều này minh họa lý do tại saoviệc chuyển đổi được khuyến nghị nên hoàn thành càng nhanh càng tốt

3.1.4 Vị trí lỗi, cách ly và khôi phục dịch vụ (FLlSR)

Một trong những chức năng quan trọng nhất của DA là khôi phục dịch vụ trongtrường hợp xảy ra lỗi ở lộ sơ cấp Mục tiêu chính của việc khôi phục dịch vụ tự động làvận hành các công tắc nối để khôi phục nguồn cung cấp năng lượng cho số lượng tối đacác khu vực có thể bị ảnh hưởng bởi sự cố Vấn đề có tính chất tổ hợp vì nó liên quan đếntrạng thái bật/tắt của các công tắc

Khi xảy ra lỗi, các thiết bị bảo vệ sẽ phát hiện và mở các thiết bị cách ly tươngứng; đồng thời lỗi phải được xác định bằng các phương tiện điều khiển thiết bị, chỉ báo

mạch lỗi, máy phân tích nhiễu hoặc thông tin đến từ hệ thống giám sát (SCADA) Saukhi xác định được lỗi, khu vực tương ứng sẽ được cách ly bằng cách mở các công tắcphân đoạn gần đoạn bị lỗi nhất.

Các phần phụ tải nằm giữa trạm biến áp và phần chuyển mạch phía trên khu vực

sự cố được cấp điện trở lại từ bộ chuyển mạch chính Nếu lỗi xảy ra ở trạm biến áp hoặc

ở đoạn lộ đầu tiên thì toàn bộ lộ tuyến sẽ không được phục vụ

Những phần không có dịch vụ và không bị lỗi có thể được khôi phục lại hoạt độngbằng cách đóng các công tắc nối thích hợp, miễn là các bộ cấp dữ liệu dự phòng không bịquá tải sau khi thực hiện chuyển giao

Các bước được đề cập ở trên phải được hoàn thành trong thời gian tối thiểu đối vớicác đoạn trung chuyển không bị lỗi để tránh ảnh hưởng đến Chỉ số Dịch vụ Chất lượng.Thời gian ngừng hoạt động của khu vực bị sự cố sẽ phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọngcủa sự cố và hiệu quả làm việc của đội ngũ bảo trì

Quá trình tổng thể của FLISR có thể được tóm tắt như sau:

1) Khi phát hiện ra lỗi, cơ chế bảo vệ tương ứng sẽ hoạt động và ngắt một hoặcnhiều thiết bị cách ly

2) Sự cố được xác định vị trí và các công tắc phân đoạn liên quan mở để cách ly

nó (Hoạt động chuyển mạch có thể xảy ra trong quá trình đóng lại máy cắt hoặc sau khikhóa máy.)

3) Bộ cấp nguồn được cấp điện trở lại cho tới công tắc phân đoạn đầu tiên ở phíatrước sự cố (khôi phục phía thượng)

4) Các phần không bị lỗi được chuyển sang một hoặc nhiều nguồn cấp lân cậnbằng cách đóng công tắc NO (Khôi phục phía hạ)

5) Phần bị lỗi được đội bảo trì sửa chữa và các công tắc được khôi phục bình

Có thể có một số lượng hữu hạn các cấu hình lại dựa trên số lượng thiết bị chuyểnmạch có sẵn và vị trí của chúng Sự phức tạp của các giải pháp này và kết quả mongmuốn nằm ngoài phạm vi của tài liệu này

Khi tiến hành khôi phục, các thao tác được thực hiện phải đảm bảo rằng hệ thốngđáp ứng các điều kiện nhất định, chẳng hạn như:

được ưu tiên

với tất cả các sự cấu hình

tương ứng thiết lập và đặc biệt phải tuân theo hướng dẫn của IEEE Std 519 1992

Để minh họa một quy trình hoàn chỉnh, hệ thống hiển thị trong hình 3.3 được sửdụng, trong đó lỗi xảy ra ở vị trí Z2