LÝ THUYẾT TỔNG HỢP VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, BẢO VỆ VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LÝ THUYẾT TỔNG HỢP VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, BẢO VỆ RƠLE VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LÝ THUYẾT TỔNG HỢP VỀ HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN, BẢO VỆ VÀ THÔNG TIN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NỘI DUNG

I CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 2

1 Chế độ vận hành bình thường 2

2 Chế độ sự cố 2

3 Chế độ sau sự cố 2

II YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 3

1 Thiết bị thông tin tại Nhà máy điện 3

2 Thiết bị bảo vệ 3

3 Thiết bị đo lường và chỉ thị tại chỗ và từ xa 3

4 Yêu cầu đối với thiết bị đo 5

III ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA RƠLE SỐ (SO VỚI RƠLE CƠ) 7

IV SỰ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐẶC TÍNH BẢO VỆ CỦA RƠLE KHOẢNG CÁCH 9

V CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ SỐ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN 13

1 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 13

2 EMS (Energy Management System) 13

3 DMS (Distribution Management System) 14

4 BMS (Bussiness Mangement System) 15

VI CÁC LOẠI KÊNH THÔNG TIN LIÊN LẠC 17

1 Hệ thống dây dẫn phụ 17

2 Cáp thông tin 17

I CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

Nhiệm vụ của mỗi cấp điều khiển được xác định cho từng chế độ làm việc của

hệ thống: chế độ vận hành bình thường, chế độ sự cố và chế độ khôi phục lại hệ

thống

1 Chế độ vận hành bình thường

Nhiệm vụ chính của các cấp điều khiển là:

- Chi phí năng lượng nhiên liệu thấp nhất

- Tổn thất công suất , điện năng thất nhất

- Điện áp các nút chính nằm trong giới hạn cho phép (cân bằng Q trong lưới

điện)

- Tần sô hệ thống nằm trong giới hạn cho phép (cân bằng P trong hệ thống)

- Độ tin cậy cung cấp điện cao

2 Chế độ sự cố

- Cô lập nhánh đúng phần tử bị sự cố, thiết bị BẢO VỆ được lắp đặt và phối

hợp đúng

- Hạn chế các phản ứng dây chuyền (tác động mất chọn lọc dẫn đến tan rã hệ

thống)

- Trường hợp cần thiết thì tự động chia cắt hệ thống duy trì phạm vi cấp điện

tối đa và nhanh chóng phục hồi hệ thống sau sự cố

3 Chế độ sau sự cố

- Huy động các công suất dự phòng để lập lại CBCS trong hệ thống

II YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Thiết bị thông tin tại Nhà máy điện

- Phải có 2 đường dây thông tin độc lập giữa NMĐ và trung tâm điều độ khu

vực hoặc quốc gia, các đường dây liên lạc này gắn liền với từng NMĐ và

chỉ được dung cho mục đích vận hành

- Phải có máy fax và đường liên lạc độc lập với trung tâm điều độ số máy ở 2

đầu được đăng ký và chỉ dùng cho mục đích vận hành

2 Thiết bị bảo vệ

- -Đặt đủ số lượng và đảm bảo các chỉ tiêu nhanh nhạy, chọn lọc, tin cậy phù

hợp

- -Thời gian loại trừ sự cố (là khoảng thời gian từ khi xuất hiện sự cố đến khi

hồ quang trong máy cắt được dập tắt) phải không lớn hơn:

80ms ở cấp 500kv 100ms ở cấp 220kV 140ms ở cấp <=110kV

- Các bảo vệ dự phòng phải có thời gian loại trừ sự cố không chậm hơn

300ms

- Ở các máy cắt điện >= 110kV phải có bảo vệ chống máy cắt hư hỏng (từ

chối) 50BF.Thời gian tác động của bảo vệ này phải <=250ms sau khi MC

không cắt được

- Phương thức bảo vệ các phần tử chính của NMĐ, trạm BA và đương dây tải

điện phải được chuẩn hoá theo chủng loại, cấp điện áp và cỡ công suất

3 Thiết bị đo lường và chỉ thị tại chỗ và từ xa

a.NMĐ:

Phải trang bị RTU để gửi thông tin (U, I, P, Q, f…) về trung tâm điều độ gồm

các tín hiệu sau:

- Các tín hiệu điều khiển: đóng -cắt, tăng-giảm

- Các tín hiệu nhị phân: phản ánh trạng thái của MC, trạng thái của khoá điều

khiển (từ xa, tại chỗ) để điều khiển công suất tác dụng của MFĐ; trạng thái

vận hành của bộ điều tốc (cố đinh/tự do) của tua bin

- Các tính hiệu tương tự (4-20mA)về :

+ Công suất tác dụng (MW)

+ Công suất phản kháng (MVAr)

+ Điện áp đầu cực máy phát(kV)

+ Giới hạn trên của P (MWmax)

+ Giới hạn dưới của P (MWmin)

+ Tốc độ tăng tải (MW/phút)

+ Tốc độ giảm tải (MW/phút)

+ Tần số (Hz)

b Các trạm biến áp và điểm đấu nối

- Các tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều độ quốc gia hoặc khu vực

- Các tín hiệu nhị phân về trạng thái máy cắt (đóng-cắt) trạng thái dao nối đất

của đường dây và trạm

Các tín hiệu tương tự (4-20mA) về:

+ Điện áp thanh cái (kV)

+ Tần số (Hz)

+ Dòng công suất P qua đường dây or MBA (MW)

+ Dòng công suất Q qua đường dây or MBA (MWAr)

+ Năng lượng (MWh) đến + hoặc đi – dung cho việc mua bán trao đổi

năng lượng

+ Cảnh báo mất điện

Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo đếm cho một đường dây tải điện

4 Yêu cầu đối với thiết bị đo

a BI, BU: dung cho mua bán điện năng

- -Cấp chính xác 0,2 (thiết bị thương mại)

- -Công suất thứ cấp danh đinh: P2dd >=30VA (BI)

>=75VA (BU)

b Đồng hồ đo điện năng (công tơ) tác dụng (kWh):đồng hồ 3 pha, 1 pha hoặc

nhiều biểu giá, kiểu ghi hai chiều (mua or bán) cấp chính xác 0,2 được trang bị

thiét bị xung để chuyển trị số đã đo được đến thiết bị đếm xa vạn năng.-UTI

c Đồng hồ đo điện năng (công tơ) phản kháng (kVAr): Thiết bị 3 pha, thường là

một biểu giá, kiểu ghi hai chiều (mua or bán), cấp chính xác 0,5 được trang bị

thiết bị xung để chuyển trị số đã đo được đến thiết bị đếm xa vạn năng (UTI)

d Thiết bị đếm xa vạn năng (UTI) phải đảm bảo:

- Số đầu vào đếm xa >=24

- Số đầu vào điều khỉên >=8

- Số cổng ra >=8

- 1 modul phiếu dữ liệu có SRAM

- 1 modul thiết bị in nhiệt

- 1 modul liên lạc

- 1 lô giấy in nhiệt (cho 2năm)

e Bộ chuyển đổi công suất P/công suất Q (MW/MVAr): mỗi bộ chuyển đổi

MW/MVAr phải lắp đặp trong cùng hộp, kiểu 3 pha, 3 dây, 2 thành phần, phải

được thiết kế cho mục đích đo xa

f Rơle cảnh báo mất điện áp: Mỗi công tơ tác dụng (kWh) và công tơ phản

kháng (kVArh) phải được lắp đặt cùng với rơle cảnh báo mất điện áp để kiểm tra

độ tin cậy cung cấp điện tại mạch lắp đặt công tơ

g Các mạch thử nghiệm; mỗi công tơ tác dụng và công tơ phản kháng và bộ

chuyển đổi W/VAr phải được lắp đặt riêng rẽ với một mạch tử nghiệm từ nguồn

năng lượng bên ngoài hoặc từ BI, BU thông qua các cổng thử đa cực được lắp

đặt cho mục đích thử nghiệm

h Bộ nghịch lưu tĩnh

Biến đổi UDC(nguồn ác quy) thành nguồn AC phục vụ cho các thiết bị đo lương

dùng AC

Yêu cầu: S(VA), Uvào (DC), Ura(AC)

ΔU(+-%), f(50+-Δf)Hz

 tỷ lệ sóng hài % cho phép

III.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA RƠLE SỐ (SO VỚI RƠLE CƠ)

a) Nguyên lý xử lý tín hiệu: xử lý tín hiệu số, có nhiều điểm ưu việt:

- Tốc độ xử lý nhanh, đảm bảo yêu cầu tác động nhanh Hiện nay thời gian tác

động của rowle ~ ½ chu kỳ (~ 10 ms)  tiến đến ¼ chu kỳ (5 ms)

- Độ chính xác cao Sai số thường do khâu đo các giá trị đầu vào Sai số bé  hệ

số an toàn, dự phòng có thể chọn thấp Độ nhạy của bảo vệ cao

- Đặc tính của bảo vệ rất đa dạng, đáp ứng được những yêu cầu khác nhau của

mục đích bảo vệ  chất lượng bảo vệ tốt hơn (độ nhạy tăng, độ an toàn tăng)

- Phạm vi điều chỉnh rất rộng, bước điều chỉnh rất bé  điều chỉnh chính xác,

phạm vi rộng

b) Đa chức năng: kết hợp nhiều chức năng trong 1 bộ rơle

+) Chức năng bảo vệ:

BẢO VỆ chính + nhiều loại BẢO VỆ dự phòng

VD: Hợp bộ bảo vệ đường dây:

BẢO VỆ chính: 21 hoặc 87

BẢO VỆ dự phòng: I>, 50, 51, 50N, 51N, 46

<U<, < f<

+) Chức năng đo lường: I, U, P ,Q, cosϕ

+) Chức năng tự động hóa: TĐL, HĐB, TCT, liên động

+) Lưu trữ các số liệu ( vận hành bình thường, sự cố) { FR-Fault Recorder}

+) Định vị sự cố {FR- Fault Locator}: % (L, vị trí cột > làm dễ dàng quá trình

tìm kiếm và xử lý sự cố (sai số 2-3%)

+) Chức năng tự kiểm tra và báo lỗi (phần mềm và phần cứng) vượt trội so

với các thế hệ Rơle khác

- Cấu trúc theo module:  dễ kiểm tra, thử nghiệm, thay thế và sửa chữa

Các Rơle chỉ khác biệt ở module 3 ( p, c )

- Kết nối dơn giản( kết nối quang)

- Kích thước được chuẩn hóa

Chiều cao: H=const

Chiều rộng L(3/4L; 1/2L;L/3;L/4 ): tùy theo độ phức tạp của Rơle lắp ráp và

thay thế rất thuận tiện

c) Rơle hợp bộ:

 Chức năng BẢO VỆ: Protection Relays

 Chức năng điều hành: Management Relays

 Hệ thống bảo vệ và điều khiển: bằng máy tính

IV SỰ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐẶC TÍNH BẢO VỆ CỦA RƠLE KHOẢNG

CÁCH

*) Hoạt động của rơle khoảng cách:

- Nguyên lý đo tổng trở đc dùng để phát hiện sự cố trên hệ thống tải điện hoặc

máy phát điện bị mất đồng bộ hay thiếu kích thích

Đối với các hệ thống truyền tải, tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ trong chế độ

làm việc bình thường ( bằng thương số của điện áp chỗ đặt bảo vệ với dòng điện

phụ tải) cao hơn nhiều so với tổng trở đo được trong chế độ sự c Ngoài ra, trong

nhiều trường hợp tổng trở của mạch vòng sự cố thường tỷ lệ với khoảng cách từ

chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch

- Sử dụng trong bảo vệ tổng trở cực tiểu:

- Tổng trở của đường dây tải điện AB được biểu diễn bằng vectơ ZD trên mặt

phẳng phức Độ nghiêng của véctơ tổng trở ZD so với trục hoành (điện trở tác

dụng R) phụ thuộc vào tương quan giữa điện kháng của đường dây XDvà điện

trở tác dụng của đường dây RD:

D D

D

X arctg( ) R

ϕ =

- Khi ngắn mạch trực tiếp xảy ra tại điểm N trên đường dây tổng trở đo được tại

chỗ đặt bảo vệ: ZN= XN+ RN

- Trị số của tổng trở đo được sẽ giảm đột ngột, nhưng độ nghiêng của véctơ tổng

trở không thay đổi

- Trường hợp ngắn mạch qua điện trở trung gian (thường là do điện trở của hồ

quang Rqd,phát sinh tại điểm ngắn mạch), tổng trở đo được tại chỗ đặt bảo vệ sẽ

là:

ZN’= RN+ jXN+ Rqd

Tổng trở đo được có trị số lớn hơn nhưng góc nghiêng của véctơ tổng trở sẽ

giảm đi

- Đối với bảo vệ khoảng cách làm việc không có thời gian, để tránh tác động

nhầm khi có ngắn mạch ở đầu phần tử tiếp theo, tổng trở khởi động của bộ phận

khoảng cách phải chọn bé hơn tổng trở của đường dây: Zkđ = K.ZD (k =

0,8÷0,85) có xét đến sai số của máy biến dòng điện, máy biến điện áp và một số

ảnh hưởng gây sai số khác

Chọn ngưỡng khởi động:

ZN < Zkd < Zbình thường

Z <: t.động Z<: ko tác động

(NM trên đd)

* Đặc tính bảo vệ của Rơle khoảng cách:

Tổng trở không có Vòng tròn qua gốc (MHO)

hướng (Zkđ = Const)

Vòng tròn lệch tâm (offset MHO) Hình thấu kính

Đặc tính tứ giác

* Cho đặc tính BẢO VỆ của RƠLE khoảng cách có dạng sau:

Viết Phương trình đường thẳng qua 2 điểm:

C(1,-1) và A(-2, 4):

x = ar + b

3 2

5 5

A

2

x

5

=

Viết sơ đồ thuật toán cho

BẢO VỆ

V CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CÔNG

NGHỆ SỐ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

Trong quá trình phát triển HTĐ, HT điều khiển có những giai đoạn phát triển

khác nhau:

Ta có thể kể ra 4 giai đoạn chính phát triển ứng dụng kỹ thuật công nghệ số điều

khiển HTĐ là: SCADA, EMS, DMS, BMS

1 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

SCADA (Thu thập và hiển thị các dữ liệu): thế hệ điện cơ  điện tử tương tự

kỹ thuật số

Thông tin dữ liệu từ các phần tử được thu thập qua RTU thông qua mạng

thông tin trung tâm điều độ

*)Theo mức độ chi tiết thông tin có thể khác nhau:

- Dữ liệu vận hành: U các nút chính, dòng I trên các phần tử chính, P,Q,f…

- Trạng thái thiết bị: MC(đóng –cắt), DCL nối đất, đường dây …thiết bị điều

chỉnh và điều khiển

- Lý lịch của từng thiết bị trong HTĐ: ngày đưa vào vận hành, lịch sử đại tu, sửa

chữa, lần sửa chữa cuối cùng

- Nhân viên điều hành: trực tiếp theo dõi  đưa các dữ liệu cần xử lý vào hệ

thống máy tính  theo kết quả  nhân viên điều hành trực tiếp ra lệnh điều

khiển

Trên thế giới: từ những năm 1960 phát triển hệ SCADA kỹ thuật số, còn Vnam

từ 1980 mới đưa SCADA kỹ thuật số vào áp dụng

2 EMS (Energy Management System)

Các thông tin thu nhân được, được cung cấp trực tiếp cho hệ thông máy tính

điều khiển Hệ thống máy tính đc trang bị các chương trình chuyên dụng để giải

2 bài toán vận hành chính:

+ Giải tích lưới điện

+ Tối ưu hóa chế độ vận hành

a) Giải tích lưới điện:

- Tính phân bố (trào lưu) công suất trên lưới, điện áp các nút, tổn thất csuất, điện

năng …

- Tính ngắn mạch cập nhật trong quá trình phát triển và thay đổi cấu hình htđ

Tính dòng và áp trên các phần tử , nút chủ yếu của lưới điện, kiểm tra khả năng

chịu dòng NM của thiết bị , các phần tử trong HTĐ đề xuất nhu cầu thay thế

- Tính ổn định của hệ thống điện:

Xác định giới hạn -> độ dự trữ về ổn định đề xuất giải pháp nâng cao ổn định

b) Tối ưu hóa chế độ vận hành

Chế độ phát và phân bố csuất giữa các tổ máy (NMĐ) trong HTĐ  phương

thức huy động nguồn

Dự báo phụ tải ( ngắn hạn, trung hạn)

+ Ngắn hạn: 15’, nửa giờ, ngày, tuần  phục vụ điều hành trong thời gian

thực

+ Trung hạn: tháng, năm  phục vụ kế hoạch chuẩn bị nhiên liệu , kế hoạch sửa

chữa thiết bị > dự báo kết hợp thông tin về thời tiết, khí hậu, thị trường…

Trên thế giới hệ thống EMS (Hệ thống điều hành quá trình năng lượng) được sử

dụng từ những thập niên 70-80, ở Việt Nam một số công trình điện lực mới xây

dựng có thể triển khai sử dụng hệ thống EMS

Thu nhận thông tin

EMS Tính toán

Ra quyết định trực tiếp điều khiển các đối tượng trong HTĐ

Nhân viên điều hành: theo dõi, giám sát và chỉ can thiệp khi cần thiết( người

+ Chất lượng điện năng: U,∆A, ∆P, bù, ĐTC…

+ Chỉ tiêu kinh tế→Quản lý vận hành

+ Quan hệ với khách hàng…

+ Hệ thống cung cấp điện “Tuyệt hảo”

(Perfect Distribution System)→Các thiết bị thông minh

* Quản lý dữ liệu phân tán

+ Dữ liệu HTĐ: Nhiều lĩnh vực, ít liên quan nhau

•Khảo sát: Địa chất, khí tượng, thủy văn

•Thiết kế: Tiêu chuẩn, định mức, catalog thiết bị…

•Xây dựng

•Vận hành

Một số hệ thống:

DSM: Quản lý nhu cầu (Demand Side Management)

DTS: Dispathching Training System

(Hệ thống huấn luyện…)

GIS: Geographical Information System

(Hệ thống thông tin địa lý)

4 BMS (Bussiness Mangement System)

*Hệ thống quản lý kinh doanh

Xu thế chung: Phi tập chung – Phi điều tiết

- Phi tập trung: (Decentralisation)

Tập trung→Độc quyền →Cửa quyền→ Hậu quả xấu

Tập trung→Hệ thống điều tiết→Quản lý Nhà nước.→Đa dạng hóa sở hữu: Phi

tập trung: Nhiều thành phần tham gia vào hoạt động điện lực

- Phi điều tiết (Deregulation):

→Giảm tác động quản lý Nhà nước đối với hoạt động sản xuất kinh doanh của

nghành Điện

→Quá trình thị trường hóa:

Ở Việt Nam: Quá trình thị trường hóa chia làm 3 cấp độ (giai đoạn)

* Thị trường phát điện cạnh tranh

* Thị trường bán điện cạnh tranh

* Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh

Dẫn đến:

•Tách phát điện khỏi lưới truyền tải và phân phối

•Tách bán buôn khỏi truyền tải

•Tách bán lẻ khỏi phân phối

VI CÁC LOẠI KÊNH THÔNG TIN LIÊN LẠC

1 Hệ thống dây dẫn phụ

Cáp đông 1 lõi, bọc cách điện, tiết diện S=2,5 – 6 mm2 sử dụng trong phạm vi

NMĐ, TBA, Lmax=600-800m, f=50-60Hz Tiết diện dây xđ theo độ bền cơ học

Smin>=2,5mm2 theo yêu cầu phụ tải thứ cấp của BI (Smax->6mm2)

2 Cáp thông tin

- Cáp đồng trục

+ Điện trở đặc tính của cáp đồng trục thông thường là 50ôm

+ Tốc độ truyền trên cáp đồng trục khá cao (tới 300Mbít/s)

+ Khoảng cách truyền tới vài nghìn m không cần bộ lặp

- Hiện này thường dung các loại cáp đồng trục sau dây cho mạng cục bộ:

+ RG-8 và RG-11, trở kháng 50ôm, được dùng cho mạng thick Ethernet

+ RG-58, trở kháng 50ôm, được dùng cho mạng thin Ethernet

+ RG-59, trở kháng 75ôm, được dùng cho mạng truyền hình cáp

+ RG-62, trở kháng 93ôm, được dùng cho mạng ARC net

Các mạng cục bộ sử dụng cáp đồng trục thường có dải thông từ 2,5Mbít/s (ARC

net) tới 10Mbít/s (Ethernet)

- Cáp đôi xoán

Các loại này gồm hai dây dẫn đồng được cách điện quấn ôm vào nhau nhờ vậy

trường điện từ của hai dây sẽ trung hoà lẫn nhau vì thế nhiễu xạ ra môi trường

xung quanh cũng như tạp nhiễu do xuyên âm sẽ được giảm thiểu

Điện trở đặc trưng của cáp xoắn đôi là 120ôm

2 loại thường dùng:

+ STP: lớp bọc kim bên ngoài đôi cáp, cho phép truyền tốc độ tương đối cao

(>1Mbít/s), chiều dài truyền tối đa không dùng trong bộ lặp có thể lên tới

3000m

+ UTP: tính năng như STP, chỉ kém về khả năng chống nhiễu và suy hao do

không có bọc kim, có 5 loại thường dung là;

UTP loại 1 và 2: sử dụng thích hợp cho truyền thoại và truyền dữ liệu tốc độ

thấp (dưới 4Mbit/s)