Phân tích cấu hình, thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái p746 sử dụng giao thức IEC 61850 tại trạm biến áp 220kv ngũ hành sơn

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI - Mục tiêu: Nghiên cứu cài đặt, cấu hình và thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider P746, P849 dùng giao thức IEC 61850, ứng dụng đưa vào vận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XUÂN ĐẠT

PHÂN TÍCH CẤU HÌNH, THÍ NGHIỆM RƠLE BẢO VỆ

SO LỆCH THANH CÁI P746 SỬ DỤNG GIAO THỨC IEC 61850 TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV NGŨ HÀNH SƠN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ KIM HÙNG

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Hệ thống điện là một mạng lưới phức tạp gồm rất nhiều phần tử cùng vận hành Vì vậy để đảm bảo cho lưới điện vận hành an toàn,

ổn định thì không thể thiếu các thiết bị bảo vệ Hệ thống bảo vệ rơle

có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố, hạn chế tối đa các thiệt hại do sự cố gây nên và duy trì khả năng làm việc liên tục của hệ thống

Trong các trạm biến áp, hệ thống thanh cái là một trong những phần tử quan trọng, là nơi nhận và phân phối điện năng từ nguồn cung cấp đến các hộ tiêu thụ Sự cố trên thanh cái rất ít xảy ra nhưng

vì thanh cái là đầu mối liên hệ của nhiều phần tử trong hệ thống nên khi xảy ra ngắn mạch trên thanh cái nếu không được loại trừ một cách nhanh chóng và tin cậy thì có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng và có thể làm tan rã hệ thống

Hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái nhằm loại trừ các sự cố xảy ra trên thanh cái chính vì vậy đòi hỏi rất cao về tính chọn lọc, khả năng tác động nhanh, độ nhạy và độ tin cậy Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất rơle hàng đầu như Sel, Siemen, ABB, Schneider (trước đây là Areva), Toshiba … Tại các trạm biến áp thuộc khu vực miền Trung-Tây Nguyên, rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider chủ yếu dùng rơle P740 gồm khối trung tâm chính P741 và khối mức ngăn P742 (P743), hệ thống bảo vệ này đòi hỏi phải có nhiều rơle tương ứng cho từng ngăn lộ làm cho việc thiết kế, thi công, cấu hình trở nên phức tạp Hiện nay hãng Schneider mới đưa vào sử dụng rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 kết hợp mở rộng input, output dùng rơle P849 theo giao thức truyền thông IEC 61850 Điều này làm thay đổi thiết kế hệ thống bảo vệ từ cáp nhị thứ bằng các tin nhắn truyền thông của các tín hiệu nhị phân giữa các thiết bị bảo vệ Với việc cải tiến rơle bảo vệ so lệch thanh cái cùng giao thức truyền thông IEC

61850 đòi hỏi nhân viên thí nghiệm cần có nghiên cứu cài đặt, cấu

hình và phương pháp thí nghiệm rơle đồng thời nhân viên vận hành cần hiểu biết thông số cài đặt, thông tin bản ghi sự cố để vận hành tin cậy, an toàn

2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider P746 kết hợp mở rộng input, output dùng rơle P849 sử dụng giao thức truyền thông IEC

61850 Áp dụng cho hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái 110kV tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống bảo vệ so lệch trong trạm biến áp

- Nghiên cứu cài đặt, cấu hình rơle Schneider P746, P849 kết

nối theo giao thức truyền thông IEC 61850

- Xây dựng phương pháp thí nghiệm rơle bảo vệ Schneider

P746, P849 Lập file excel tính toán vùng tác động phục vụ công tác thí nghiệm

- Phần mềm mô phỏng các chế độ vận hành và sự cố của hệ

thống bảo vệ so lệch thanh cái

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Mục tiêu:

Nghiên cứu cài đặt, cấu hình và thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái Schneider P746, P849 dùng giao thức IEC 61850, ứng dụng đưa vào vận hành tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn, giúp kiểm định chất lượng hệ thống bảo vệ nhanh chóng, chính xác, an toàn

thanh cái dùng rơle Schneider P746 Lập file excel tính toán vùng tác động của bảo vệ

+ Nghiên cứu mô phỏng các chế độ vận hành và sự cố của hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái bằng phần mềm Matlab Simulink + Cài đặt, cấu hình, thí nghiệm áp dụng cho trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn và đưa ra các ý kiến áp dụng cho các trạm khác

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài thuộc dạng nghiên cứu ứng dụng, mặc dù trạm biến áp với hệ thống bảo so lệch thanh cái đưa vào vận hành trong hệ thống điện từ nhiều năm qua nhưng ở khu vực miền Trung-Tây Nguyên thì rơle Schneider P746, P849 kết nối theo giao thức truyền thông IEC

61850 chưa được sử dụng

Với ý nghĩa thực tiễn, đề tài đã giúp nhân viên thí nghiệm nắm

rõ về rơle bảo vệ P746, P849 qua đó thuận lợi khi kiểm định chất lượng hệ thống bảo vệ trong môi trường công tác nghiêm ngặt về thời gian và tiến độ theo yêu cầu cung cấp điện liên tục, đồng thời giúp người vận hành hệ thống có thể vận hành một cách an toàn, tin cậy

5 ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI

“Phân tích cấu hình, thí nghiệm rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 sử dụng giao thức IEC 61850 tại trạm biến áp 220kV Ngũ Hành Sơn ”

6 BỐ CỤC LUẬN VĂN

Mở đầu

Chương 1: Bảo vệ so lệch trong trạm biến áp

Chương 2: Rơle Schneider P746, P849 bảo vệ thanh cái

Chương 3: Cấu hình và thí nghiệm hệ thống bảo vệ so lệch thanh cái TBA 220kV Ngũ Hành Sơn

Chương 4: Mô phỏng bảo vệ so lệch thanh cái

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 BẢO VỆ SO LỆCH TRONG TRẠM BIẾN ÁP

1.1 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH DỌC ĐƯỜNG DÂY

Bảo vệ so lệch dọc đường dây dựa trên nguyên tắc so sánh dòng Với bảo vệ so lệch dọc đường dây, để thay thế việc đấu nối mạch dòng điện nhị thứ bằng dây dẫn phụ người ta sử dụng các đường truyền thông tin như cáp quang và các bộ giao diện Tín hiệu dòng điện tại một đầu được rơle thu nhận và xử lý số hóa Mỗi rơle tại một đầu sẽ đo lường dòng điện tại chỗ và gởi thông tin về độ lớn

và góc pha của dòng điện đến rơle phía đối diện qua các bộ giao diện

dữ liệu bảo vệ và đường thông tin Để bảo vệ so lệch làm việc đúng, điều kiện đầu tiên là tổng dòng điện vào thiết bị bảo vệ bằng không trong điều kiện vận hành bình thường Tuy nhiên trong thực tế luôn

có xuất hiện dòng không cân bằng do dòng dung đường dây, lỗi biến dòng điện, sai số dòng điện Để tránh các ảnh hưởng gây ra tác động nhầm cho rơle so lệch, các rơle hiện nay đều sử dụng các đặc tính phân cực

1.2 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH MÁY BIẾN ÁP

Bảo vệ so lệch máy biến áp dựa trên nguyên tắc so sánh dòng.Các nguyên nhân sinh ra dòng không cân bằng trong quá trình vận hành bình thường như tổ đấu dây MBA, tỷ số biến dòng điện khác nhau … đều được xử lý bằng các giá trị cài đặt phù hợp đối với rơle

kỹ thuật số Ngoài ra, rơle kỹ thuật số còn có chức năng hãm sóng hài để ngăn ngừa sự mất cân bằng dòng điện gây ra tác động nhầm khi đóng xung kích MBA (thành phần sóng hài bậc 2) hoặc khi hòa song song hai MBA, hoặc khi quá kích thích MBA (thành phần sóng hài bậc lẻ) Để tránh tình trạng dòng so lệch tăng cao gây ra do sai số

biến dòng điện khi dòng nhất thứ lớn, đặc biệt là khi ngắn mạch ngoài vùng bảo vệ, các rơle bảo vệ so lệch máy biến áp hiện nay đều

sử dụng đặc tính phân cực

1.3 CHỨC NĂNG BẢO VỆ SO LỆCH THANH CÁI

1.3.1 Bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle tổng trở thấp

Hệ thống bảo vệ thanh cái dựa trên nguyên lý tập trung tổng các dòng điện đưa vào rơle so lệch thanh cái Dòng điện so lệch được xác định như sau: Idiff(t) = i1 + i2 + … + in Nguyên lý này đơn giản nhưng đòi hỏi tất cả các biến dòng phải đồng nhất vì dễ bị ảnh hưởng bởi sự bão hòa biến dòng khi dòng sự cố ngoài lớn

Các rơle bảo vệ thanh cái tổng trở thấp với các đầu vào hãm đã giảm đáng kể tác động của sự bão hòa biến dòng và cho phép sử dụng các biến dòng có tỉ số khác nhau Các rơle này hoạt động trên các đặc tính một hay nhiều độ dốc với dòng so lệch và dòng phân cực được xác định như sau:

Idiff(t) = | i1+ i2…+ in |

Ibias(t) = |i1| + |i2| +…+ |in|

1.3.2 Bảo vệ so lệch thanh cái dùng rơle tổng trở cao

1.4 KẾT LUẬN

Chương 1 đã trình bày nguyên lý làm việc của một số chức năng

so lệch cơ bản trên rơle kỹ thuật số, qua đó cho ta thấy rơle kỹ thuật

số ngày nay được tích hợp nhiều chức năng bảo vệ với khả năng chỉnh định thông số cài đặt và lập trình được nên có độ linh hoạt cao,

dễ dàng sử dụng cho các đối tượng bảo vệ khác nhau Trên cơ sở đó

đi sâu vào phân tích các chức năng của rơle P746 trong chương 2

CHƯƠNG 2 RƠLE SCHNEIDER P746, P849 BẢO VỆ THANH CÁI 2.1 CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH TRONG RƠLE P746

Rơle bảo vệ so lệch thanh cái P746 được thiết kế cho bảo vệ thanh cái các cấp điện áp từ phân phối đến truyền tải Rơle bao gồm nhiều tính năng không bảo vệ để hỗ trợ chẩn đoán và phân tích sự cố

hệ thống P746 tích hợp so lệch thanh cái, lỗi máy cắt, vùng chết, bảo

vệ quá dòng và thích hợp ứng dụng cho hệ thống nối đất trực tiếp

2.1.1 Bảo vệ so lệch thanh cái

Thành phần bảo vệ chính là bảo vệ so lệch dòng phân cực riêng từng pha Phương pháp được dùng là thuần túy số và phân tích điểm nút trong toàn bộ sơ đồ, trong mỗi vùng và sơ đồ cơ sở

 Dòng so lệch: Idiff(t) = | ∑ i |

xác định theo cài đặt bảo

vệ: vùng trên ngưỡng cài

đặt dòng so lệch ID>2 và độ dốc đặc tính phân cực (k2 x Ibias) (k2 là giá trị phần trăm độ dốc phân cực)

c Giám sát bằng thành phần kiểm tra vùng

Dòng so lệch được đo lường trong vùng sự cố sẽ bằng dòng được đo lường trong toàn hệ thống Một trong những lí do thường xuyên gây ra tác động nhầm của bảo vệ so lệch thanh cái là lỗi vị trí thực tế của dao cách ly hoặc máy cắt trong trạm được phản hồi (tiếp điểm phụ không đúng) Điều này làm xuất hiện dòng so lệch trong một hoặc nhiều nhánh

Để an toàn, bảo vệ thanh cái chỉ tác động vùng thanh cái cụ thể nếu thành phần vùng so lệch và vùng kiểm tra đồng thời cùng tác động Ưu điểm chính của phần này là không nhạy nếu sơ đồ thực tế không phù hợp

Đặc tính kiểm tra vùng được xác định dựa trên cài đặt bảo vệ: Vùng trên ngưỡng cài đặt dòng so lệch IDCZ>2 và độ dốc đặc tính phân cực (kCZ x Ibias) (kCZ là giá trị phần trăm độ dốc phân cực cho vùng kiểm tra)

Hình 2.3 : Đặc tính phân cực bảo vệ so

lệch

Vùng kiểm tra được giới hạn bởi dòng tất cả các nhánh vào và

ra toàn bộ thanh cái: Idiff(t)CZ = |∑i | diff

d Sự giám sát bởi thành phần so sánh pha

Khi sự cố bên ngoài gây bão hòa máy biến dòng, dòng so lệch

sẽ xuất hiện Dòng so lệch được đo lường có thể phát hiện sự cố bên trong và khởi tạo tác động không mong muốn trên thanh cái Để tránh rủi ro tác động trong trường hợp này, hầu hết bảo vệ thanh cái dùng thuật toán so sánh pha để nhận biết sự cố bên ngoài hay bên trong

Đặc tính của thuật toán là:

- Làm việc không dựa vào điện áp

- Góc pha được lưu trong mỗi chu kỳ

- Chỉ dòng điện có độ lớn chắc chắn được đưa vào tính toán (đặt theo phần trăm dòng định mức của mỗi biến dòng)

- Khi tất cả các góc của dòng điện nằm trong vùng ±90o sẽ không khóa bảo vệ so lệch thanh cái

- Nếu chỉ có một dòng được đưa vào tính toán thì xem như sự

cố bên trong

Do đó, khi thành phần so sánh pha tính toán có hơn một dòng điện có độ lớn lớn hơn ngưỡng đặt (đặt theo phần trăm dòng định mức của mỗi biến dòng) và tất cả các góc dòng điện này không nằm trong vùng ±90o thì sẽ khóa bảo vệ so lệch

e Tiêu chuẩn tác động

Tín hiệu tác động cho từng vùng là: nếu sự cố được phát hiện trong vùng và được chắc chắn bởi vùng kiểm tra đồng thời thành phần so sánh pha không khóa bảo vệ so lệch

f Mạch giám sát dòng điện

Trong vận hành bình thường, dòng so lệch sẽ bằng không hoặc

không đáng kể (do dòng không cân bằng) Bất kỳ sự bất thường được phát hiện thông qua ngưỡng ID>1

2.1.2 Các bảo vệ bổ sung

a Bảo vệ vùng chết

Trong một xuất tuyến, nếu dao cách ly hoặc máy cắt mở thì vùng chết là vùng giữa thành phần được mở và máy biến dòng Rơle P746 có thể bảo vệ vùng này với chức năng bảo vệ vùng chết Đây đơn giản là bảo vệ quá dòng có thời gian trễ

b Bảo vệ hƣ hỏng máy cắt (50BF)

Phần cứng của P746 đáp ứng tối đa 7 hoặc 21 máy cắt (7 cho chế độ 3 pha, 21 cho chế độ 1 pha)

- Tiêu chuẩn trở về của bảo vệ hư hỏng máy cắt :

 Tiêu chuẩn dòng điện

 Tiêu chuẩn trở về kém dòng

- Tiêu chuẩn logic trở về (chỉ lỗi hư hỏng máy cắt xuất tuyến)

- Khởi tạo 50BF bên trong như tác động từ thành phần so lệch

87BB: Đối với khởi tạo 50BF bên trong, chức năng 50BF trở về chỉ khi điều kiện trở về được thỏa mãn

- Khởi tạo lỗi hư hỏng máy cắt bên ngoài: Đối với khởi tạo lỗi

hư hỏng máy cắt bên ngoài, hư hỏng máy cắt trở về khi khởi tạo bên ngoài trở về hoặc khi điều kiện trở về thỏa mãn

2.1.3 Chức năng giám sát trạng thái dao cách ly, máy cắt

a Chức năng giám sát trạng thái dao cách ly

Chức năng này có thể được cài đặt ở PSL: Rơle P746 có thể được cài đặt để hiển thị trạng thái các tiếp điểm phụ thường hở (89A) hoặc thường kín (89B) của dao cách ly Dưới điều kiện bình thường,

những tiếp điểm này sẽ ở trạng thái ngược nhau

b Chức năng giám sát trạng thái máy cắt

Chức năng hiển thị trạng thái máy cắt có thể cài đặt tại PSL

P746 có thể cài đặt hiển thị trạng thái tiếp điểm phụ thường hở (52a) hoặc thường kín (52b) của máy cắt Ở điều kiện bình thường thì những tiếp điểm này ở trạng thái ngược nhau

2.1.4 Các bản ghi nhiễu loạn

Rơle được tích hợp đo lường, phương tiện ghi sự kiện, sự cố, bản tin thích hợp cho việc phân tích các sự cố phức tạp trên hệ thống Rơle cũng linh hoạt trong việc cho phép lập trình các phương tiện này cho phù hợp với nhu cầu sử dụng

a Bản ghi sự cố

Mỗi khi bản ghi sự cố thiết lập, một bản ghi sự kiện cũng được tạo Sự kiện cho biết một bản ghi sự cố được ghi và được gắn thẻ thời gian tương ứng Bản ghi sự cố bao gồm thời gian xảy ra, vị trí sự

cố, giá trị đo lường khi sự cố…

b Bộ ghi các nhiễu loạn

Bộ ghi các nhiễu loạn tích hợp có bộ nhớ lưu trữ riêng của nó

Số lượng bản ghi trên rơle phụ thuộc vào việc chọn lựa thời gian ghi Cấu hình bộ ghi các nhiễu loạn bao gồm thời gian bản ghi và vị trí kích hoạt, việc lựa chọn tín hiệu số hoặc analog được ghi, và nguồn tín hiệu kích hoạt bản ghi

2.1.5 Minh họa một số ứng dụng bảo vệ so lệch rơle P746

Hệ thống thanh cái được nối với nhau có thể chỉ bằng dao cách

ly hoặc máy cắt hoặc cả dao cách ly và máy cắt với một hoặc hai CT

đi kèm Ứng dụng với một trường hợp cụ thể thì vùng bảo vệ và vùng kiểm tra của rơle sẽ khác nhau Dưới đây tác giả sẽ trình bày một số trường hợp tính toán vùng bảo vệ của rơle với các sơ đồ vận hành khác nhau

a Thanh cái đơn hoặc đôi với bộ phân đoạn thanh cái

b Thanh cái đôi với một CT tại thanh cái nối

c Thanh cái đôi với hai CT tại thanh cái nối

2.1.6 Ƣu nhƣợc điểm của rơle P746

a Ƣu điểm

Rơle bảo vệ thanh cái P746 được thiết kế và chứng tỏ khả năng tác động nhanh chóng và chính xác trong tất cả các trường hợp sự cố nội bộ xảy ra P746 có thể bảo vệ cho tối đa 4 vùng, 21 xuất tuyến, với hầu hết các dạng sơ đồ khác nhau: thanh cái đơn, kép, thanh cái

dự phòng, sơ đồ một rưỡi…

Ưu điểm bảo vệ thanh cái được phân đoạn riêng :

- Tăng độ nhạy cho vùng kiểm tra

- Khi rơle/CT hư hỏng: Khi sử dụng hệ thống phân đoạn với hai

hoặc nhiều hơn thì sự khác biệt là khi rơle/CT hư hỏng ở một phía sẽ không ảnh hưởng đến phía còn lại Đây là yêu cầu hết sức cơ bản vì thanh cái thì rất lớn và việc bảo vệ toàn thanh cái bị loại bỏ là không chấp nhận được

- Đơn giản hóa thuật toán: Trong thuật toán của P746, có thể dễ

dàng đưa ra việc bố trí do thuật toán cho 2 phía đều độc lập với phía còn lại

b Nhƣợc điểm sơ đồ thanh cái nhiều xuất tuyến có kiểm tra vùng

- Ảnh hưởng độ nhạy vùng kiểm tra

- Ảnh hưởng của dòng không cân bằng trong vùng kiểm tra

- Khi rơle/CT hư hỏng: Khi mạch giám sát CT hoạt động hay

trường hợp rơle hư hỏng đối với sơ đồ thanh cái không tách riêng sẽ

có thể ảnh hưởng tới vùng kiểm tra và khóa hoàn toàn bảo vệ thanh cái

2.2 CHỨC NĂNG RƠLE P849

Rơle P849 là thiết bị mở rộng input và output được thiết kế để