Phân tích hệ thống định vị sự cố bằng phương pháp sóng lan truyền cho đường dây truyền tải điện 500kV Dốc Sỏi - Đà Nẵng

Bài viết sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để phân tích, đánh giá phương pháp sóng lan truyền sóng kiểu D, áp dụng cho đường dây truyền tải điện 500 kV Dốc Sỏi - Đà Nẵng có chiều dài 100 Km.

Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn, Trương Thanh Trường 58 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỰ CỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SÓNG LAN TRUYỀN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 500KV DỐC SỎI - ĐÀ NẴNG ANALYZE THE FAULT LOCATING SYSTEM BY TRAVELING WAVE METHOD FOR 500KV DOC SOI - DA NANG TRANSMISSION LINE Lê Kim Hùng1, Vũ Phan Huấn2, Trương Thanh Trường3 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; lekimhung@dut.udn.vn Công ty TNHH MTV Thí nghiệm Điện miền Trung; vuphanhuan@gmail.com Cơng ty Truyền tải Điện 2; thanhtruong1181@gmai.com Tóm tắt - Bài báo sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để phân tích, đánh giá phương pháp sóng lan truyền sóng kiểu D, áp dụng cho đường dây truyền tải điện 500 kV Dốc Sỏi - Đà Nẵng có chiều dài 100 km Đầu tiên, tín hiệu điện áp pha A, B, C hai đầu đường dây thu thập biến điện áp CVT Sau đó, nhóm tác giả lấy mẫu với tần số 10 MHz cho thành phần alpha điện áp (Vα) pha thông qua phép biến đổi Clarke Tiếp đến, lọc mẫu cách trích xuất hệ số chi tiết bậc (Cd1) công cụ Wavelet họ Daubechies Cuối tính tốn khoảng cách cố trường hợp mô cố đường dây với điện trở cố (10, 20, 30 Ω), phụ tải thay đổi, sử dụng tụ bù dọc Kết thu báo giải tốt vấn đề mà phương pháp tổng trở chưa đáp ứng được, xác định nhanh chóng, xác vị trí cố đường dây truyền tải điện với sai số không ± 84 m Abstract - This article uses Matlab-Simulink software to analyze and evaluate type D wave travelling propagation method, which is applied to 500 kV Doc Soi - Da Nang transmission line with the length of 100 km Firstly, the voltage signals of phase A, B, and C at the two terminals are collected by the CVT voltage transformer Then, we sample them with the 10 MHz frequency for the alpha component of the phase voltage (Vα) through Clarke's transformation Next, we filter these samples by extracting the first detail coefficient (Cd1) using the Daubechies Wavelet tool Finally, the incident distance calculation in the case of fault simulations on the transmission line such as fault resistors (10, 20, or 30 Ω), changeover loads, and vertical compensation capacitors is calculated The results of the article solve the problem that the impedance method can not That is to quickly and accurately determine the position of the fault on the transmission line with the error not exceeding ± 84 meters Từ khóa - sóng lan truyền; biến đổi Clarke; truyền tải điện; định vị cố; Matlab Simulink Key words - travelling wave; Clarke’s transformation; transmission grid; fault location; Matlab Simulink Đặt vấn đề Lưới điện truyền tải đường dây có chiều dài tương đối lớn, qua địa hình phức tạp, việc xác định xác vị trí cố giúp giảm thời gian ngừng vận hành đường dây để khắc phục cố giảm chi phí vận hành đường dây xử lý cố Trong thực tế vận hành, cố lưới thường thoáng qua nên việc xác định xác vị trí cố giúp cho đơn vị quản lý thực giải pháp ngăn ngừa thay chuỗi sứ bị phóng điện, cắt tỉa cao ngồi hành lang vi phạm khoảng cách có tác động gió Hiện nay, việc xác định điểm cố sử dụng phổ biến thuật toán tổng trở đo từ đầu đường dây Tuy nhiên, thuật toán chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố như: sai số thiết bị đo lường dòng điện (CT) điện áp (VT), ảnh hưởng điện trở cố đến vùng làm việc rơle khoảng cách, ảnh hưởng thiết bị bù, ảnh hưởng thông số đường dây, ảnh hưởng cấu hình cột điện, [1], [2], [3] Mặc dầu hãng sản xuất đưa nhiều giải pháp để khắc phục sử dụng hệ số bù chạm đất kE, bù tác dụng tương hỗ đường dây song song kM, trì hỗn thời gian tác động đường dây có lắp tụ bù, đo tổng trở tồn đường dây khơng tải, sai số vị trí cố lớn, gây khó khăn cho việc tìm kiếm khắc phục cố Thống kê thực tế số cố sử dụng thuật toán tổng trở rơle Siemens 7SA TBA 500kV Dốc Sỏi cho đường dây mạch kép 220kV Dốc Sỏi/276-Tam Kỳ/272, Dốc Sỏi/277-Tam Kỳ/271, đường dây 500kV Dốc Sỏi/574-Đà Nẵng/576 Bảng cho thấy sai số định vị lớn Bảng Kết xác định vị trí cố rơle khoảng cách tìm kiếm thực tế TBA 500kV Dốc Sỏi Đường dây Thời điểm cố Dốc Sỏi/27601/12/2016 Tam Kỳ/272 Dốc Sỏi/27701/12/2016 Tam Kỳ/271 Dốc Sỏi/57403/12/2016 Đà Nẵng/576 L (km) 42,58 42,58 108,6 mtt (km) m (km) 33,1 5,671 30,1 6,129 108,6 53,88 35,08 7,5 35,08 7,5 62,42 46,11 Trong đó, L chiều dài đường dây, mtt vị trí cố hiển thị rơle TBA Dốc Sỏi TBA đối diện, m vị trí cố thực tìm thấy đường dây Nhằm khắc phục nhược điểm phương pháp định vị cố rơle bảo vệ sử dụng phổ biến lưới điện, báo trình bày phương pháp định vị cố sóng lan truyền Trên sở đó, nhóm tác giả thực phân tích, đánh giá cấp xác phương pháp kiểu D ứng dụng cho đường dây 500kV Dốc Sỏi – Đà Nẵng phần mềm Matlab Simulink để đưa kết luận viết Định vị cố phương pháp sóng lan truyền đường dây tải điện Thuật tốn sóng lan truyền dựa nguyên lý độ điện xảy cố đường dây truyền tải điện Sóng cố lan truyền gần với tốc độ ánh sáng, chạy dọc theo đường dây hướng vị trí đặt thiết bị định vị thiết bị định vị cố nhận biết sóng đến để gán nhãn thời gian tương ứng Tùy thuộc vào phương pháp đo sử dụng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển mà định vị điểm cố chia thành 05 phương pháp A, B, C, D E, tóm tắt sau Phương pháp A: Bộ định vị điểm cố kiểu A thực phép đo phía đường dây, khoảng cách đến điểm cố phân tích cách xác định độ lệch thời gian sóng tạo vị trí cố đến trạm A (t1) sóng phản xạ từ vị trí cố A (t3), Hình Khoảng cách d đến vị trí cố F xác định trạm A theo công thức [4]: t3 − t1 (1) v Trong đó, v vận tốc truyền sóng đường dây (m/s) Sai số phương pháp chịu ảnh hưởng thời gian ngắn mạch phát sinh hồ quang điểm cố, thời gian tồn ngắn khó có sóng phản xạ lần hai từ điểm cố d= 59 t2 − t1 (2) v Phương pháp thực ghép nối máy phát xung vào đường dây gặp nhiều khó khăn tốn chi phí Phương pháp D: Khác với phương pháp B, phương pháp định vị kiểu D yêu cầu đồng thời gian thiết bị lắp hai đầu, định vị cố xác định thời điểm sóng tới trạm A (tA) trạm B (tB), xem Hình Khoảng cách d đến vị trí cố F tính từ Trạm A xác định theo cơng thức [4]: d= Hình Bộ định vị cố loại D d= L + ( t A − tB )  v (3) Trong đó, L chiều dài toàn đường dây (nối từ trạm A đến trạm B) (m) Hình Bộ định vị cố loại A Phương pháp B: Bộ định vị điểm cố kiểu B dựa vào kết thực phép đo hai đầu đường dây, sóng cố từ điểm F chạy hai đầu trạm A B Hình Sự xuất đợt sóng vài micro giây đến đầu kích hoạt hẹn Bộ đếm thời gian bị tắt đầu kích hoạt tín hiệu từ thiết bị cài đặt đầu đối diện gửi đi, sóng phát từ vị trí cố phát thiết bị Hình Bộ định vị cố loại B Việc tính tốn khoảng cách vị trí cố tương tự phương pháp đo kiểu D (sẽ trình bày đây) Sai số phương pháp phải tính tốn đến chậm trễ liên quan đến việc truyền tín hiệu từ trạm đối diện đến trạm kích hoạt làm dừng hẹn Phương pháp C: Bộ định vị loại C thực phép đo phía đường dây Bộ định vị gửi xung đến vị trí mà xảy cố F, khoảng cách đến vị trí cố tính khoảng thời gian thời điểm gửi xung (t1) thời gian sóng phản xạ từ vị trí cố trạm A (t2) thể Hình 3, cơng thức (2) [4]: Hình Bộ định vị cố loại C Phương pháp D có độ xác cao (ngay đường dây có bù dọc đường dây song song, kênh thông tin) Tuy nhiên, đường dây bị tuột lèo phương pháp D khơng xác định vị trí cố Phương pháp E: Bộ định vị kiểu E thực phép đo phía đường dây, với mục đích sử dụng sóng gây máy cắt đường dây Điện áp pha có lệnh chuyển mạch máy cắt có thay đổi biên độ pha khác nhau, kết từ việc chuyển đổi cực khoảng thời gian khác Khoảng thời gian xung thứ khởi tạo máy cắt đóng (t1) xung phản xạ từ mạch vòng điểm cố trạm A (t2) cho Hình 5, dùng làm sở để tính tốn cho khoảng cách đến điểm cố [4]: Hình Bộ định vị cố loại E t2 − t1 (4) v Bộ định vị kiểu E sử dụng để phát vị trí dây dẫn bị tuột lèo đứt Nhận xét: Mỗi phương pháp định vị cố có ưu, nhược điểm phạm vi ứng dụng riêng, với kiểu D đáp ứng tốt yêu cầu độ xác tin cậy, kiểu E có khả định vị cố trường hợp cố tuột lèo đứt dây, kiểu A đơn giản độ tin cậy phụ thuộc vào kiểu dáng khác cố hồ quang đường dây bên cạnh, kiểu C cho độ xác cao d= Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn, Trương Thanh Trường 60 phải sử dụng thiết bị phát xung, gây khó khăn cho việc vận hành ghép nối vào hệ thống điện Hầu hết cố lưới điện truyền tải khách quan thời tiết, dây diều trẻ em, hành lang đổ vào đường dây, sét đánh vòng cảm ứng vào dây dẫn, phương pháp kiểu D nhóm tác giả đề xuất áp dụng, phân tích Xây dựng mơ hình đường dây để đánh giá phương pháp định vị cố sóng lan truyền Để đánh giá tính ưu việt phương pháp, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô cho đường dây truyền tải, điển hình đường dây đường dây 500kV Dốc Sỏi/574 - Đà Nẵng/576 (Hình 6) Hình Mơ hình mơ phương pháp định vị cố sóng lan truyền cho đường dây 500kV Dốc Sỏi/574 - Đà Nẵng/576 a Đường dây truyền tải: đường dây pha thông số rải, Bảng Bảng Thông số mô Đường dây L = 100 km RL1 = 0,021725 Ω/km RL0 = 0,19444 Ω/km LL1 = 3,949e-4 H/km LL0 = 10,072e-4 H/km CL1 = 29e-9 F/km CL0 = 11,103 e-9 F/km Phụ tải Tụ bù dọc Bình thường P = 500 MW, Q = 50 Mvar, tải cao gấp lần tải bình thường 226 Mvar b Khối đo lường dòng điện điện áp pha: sử dụng tín hiệu điện áp để đưa vào phận biến đổi tín hiệu sóng c Khối thu thập biến đổi tín hiệu sóng: Để thu thập giá trị tức thời tín hiệu sóng truyền có cố từ hai đầu đường dây, ta sử dụng tín hiệu sóng dòng điện sóng điện áp Bài báo sử dụng sóng điện áp để phân tích, tính tốn thơng qua phép biến đổi Clarke Hình Hình Khối biến đổi Clarke’s Xét phương trình xác định thành phần Clarke điện áp [5]: 1 V    1 V   =  1  V     −1  VA     VB  −  VC  −1 (5) Nếu điện áp chạy qua dây dẫn A, B, C quay trở lại điểm nối đất có điện áp V (zero) tính tốn hàng (5) Nếu tất điện áp chạy qua pha A trả nửa B C, có điện áp Vα (alpha) tính tốn hàng (5) Nếu tất điện áp chạy qua pha B trả C có điện áp Vβ (beta) kích thích hiển thị cột (5) Như vậy, thành phần V0 hoạt động có chạm đất, thành phần Vα hoạt động tốt cho cố pha - đất pha - pha, thành phần Vβ thích hợp cho cố pha - pha Cho nên, báo sử dụng thành phần điện áp Vα cho pha A, pha B pha C để tính tốn trường hợp cố [5]:  −1 −1  VA  V A    A  1 −  VB  V   =  1 V A   VC      −1 −1  VA  V B    B  1  VB  V   =  −  V B  1  VC      −1 −1  VA  V C     C  1  VB  V   =  1 V C  1  VC     (6) Tín hiệu điện áp VAα, VBα, VCα từ hai đầu đường dây chuyển đến lấy mẫu, với tần số lấy mẫu cao 1.e-7 Các tên gọi A, A1, A2 tương ứng với pha A, B, C phía đầu Dốc Sỏi tên gọi B, B1, B2 tương ứng với pha A, B, C phía đầu Đà Nẵng Sau sử dụng cơng cụ phân tích sóng Wavelet với họ Wavelet Daubechies Matlab Code: %su dung bo loc phan tich song Daubechies4 wavelet [Lo_D,Hi_D] = wfilters('db4','d'); %Bo loc tai tao ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 61 [Lo_R,Hi_R] = wfilters('db4','r'); %phan tich tin hieu song muc 'db4' [cA,lA] = wavedec(A,4,Lo_D,Hi_D); % trich suat he so chi tiet o muc tu wavelet dau A % cau truc phan tich [c,l] [cd1A, cd2A, cd3A, cd4A] = detcoef(cA,lA,[1 4]); % hinh (1); in(tin hieu); vitri('tin hieu goc') figure (1); plot (cd1A); title('BUS A'); [cB,lB] = wavedec(B,4,Lo_D,Hi_D); % trich xuat he so chi tiet o muc tu wavelet dau B % cau truc phan tich [c,l] [cd1B, cd2B, cd3B, cd4B] = detcoef(cB,lB,[1 4]); % hinh (1); in(tin hieu); vitri('tin hieu goc') figure (2); plot (cd1B); title('BUS B'); d Khối cố ba pha: tạo dạng cố 01 pha, 02 pha, 03 pha, e Thuật tốn tính tốn xác định vị trí cố: trình bày cơng thức (3) Kết mơ Thời gian mô t = 0,03 s, thời gian lấy mẫu t = 1e-7, t = 0,008 s thời điểm tạo cố 15*104 số mẫu thu tương ứng Xét trường hợp cố 01 pha với điện trở R F = 10 Ω cách Trạm Dốc Sỏi 60 km với thông số Bảng 2, sóng truyền hai đầu sau sử dụng cơng cụ Wavelet để phân tích, ta xác định thời điểm độ lớn sóng tín hiệu cd1A, cd1B có dạng Hình 8, Hình tB = 8.1364 ms Hình Xác định tín hiệu sóng truyền đầu Đà Nẵng: (a)Tín hiệu đo lường điện áp pha; (b) Tín hiệu cd1A điện áp pha A sau phân tích Wavelet; (c) Thời điểm sóng truyền từ điểm cố Tính tốn xác định vị trí cố: + Theo Hình 8c, thời gian sóng truyền đầu Dốc Sỏi sóng là: t A = (4,01021*104 *0,03) /15*104 = 0,00820044 s + Theo Hình 9c, thời gian sóng truyền đầu Đà Nẵng sóng là: tB = (4,0682*104 *0,03) /15*104 = 0,0081364 s + Theo tài liệu [6], ta có vận tốc truyền sóng đường dây truyền tải: v= LL1  CL1 = 3,949e −4  29e −9 = 295499,9 km/s + Vị trí cố tính từ đầu Dốc Sỏi theo cơng thức (3): tA = 8.20044ms Hình Xác định tín hiệu sóng truyền đầu Dốc Sỏi: (a)Tín hiệu đo lường điện áp pha; (b) Tín hiệu cd1A điện áp pha A sau phân tích Wavelet; (c) Thời điểm sóng truyền từ điểm cố mA =   L + (t A − tB )  v  mA =  100 + (0, 0082044 − 0, 0081364)  295499,9 mA = 60, 047(km) Tương tự, mô cho trường hợp cố AG, BC, ABC ứng với điện trở cố RF thay đổi 10, 20, 30 Ω chế độ phụ tải bình thường, phụ tải tải cao, có tụ khơng có tụ, ta có kết Bảng Lê Kim Hùng, Vũ Phan Huấn, Trương Thanh Trường 62 Bảng Kết mơ tính tốn áp dụng cho đường dây 500kV Dốc Sỏi/574- Đà Nẵng/576 Dạng cố Khoảng cách thực, km RF (Ω) AG (km) BC (km) Phụ tải ABC (km) 500 MW, 50 MVAR Tụ bù dọc 1000 MW, 100 MVAR 226 MVAR MVAR 10, 20, 30 5,084 5,084 5,084 5,084 5,084 5,084 5,084 15 10, 20, 30 14,983 14,983 14,983 14,983 14,983 14,983 14,983 25 10, 20, 30 25,03 25,03 25,03 25,03 25,03 25,03 25,03 35 10, 20, 30 34,929 34,929 34,929 34,929 34,929 34,929 34,929 45 10, 20, 30 44,976 44,976 44,976 44,976 44,976 44,976 44,976 50 10, 20, 30 50 50 50 50 50 50 50 55 10, 20, 30 55,023 55,023 55,023 55,023 55,023 55,023 55,023 60 10, 20, 30 60,047 60,047 60,047 60,047 60,047 60,047 60,047 65 10, 20, 30 65,07 65,07 65,07 65,07 65,07 65,07 65,07 75 10, 20, 30 74,969 74,969 74,969 74,969 74,969 74,969 74,969 85 10, 20, 30 85,016 85,016 85,016 85,016 85,016 85,016 85,016 95 10, 20, 30 94,915 94,915 94,915 94,915 94,915 94,915 94,915 Nhận xét: Định vị cố phương pháp sóng lan truyền kiểu D cho đường dây 500kV, cần có thơng tin chiều dài đường dây, vận tốc truyền sóng thời gian chênh lệch xung tín hiệu truyền đến hai đầu đường dây để tính tốn điểm cố Kết thu Bảng có sai số lớn 84 m, sai số nhỏ m cố đường dây Kết luận Bài báo thực mô phỏng, đánh giá sai số hệ thống định vị cố phương pháp sóng lan truyền kiểu D điều kiện vận hành khác hệ thống điện trở cố, dạng ngắn mạch, tụ bù dọc, phụ tải, cho kết có độ xác cao nhiều so với phương pháp tổng trở ứng dụng rơle bảo vệ truyền thống Dựa sở đó, nhóm tác giả đề xuất lựa chọn sử dụng định vị cố SFL2000 hãng Kinkei với tần số lấy mẫu 10 MHz, thiết bị đồng GPS GNSS hãng Puruno, hệ thống mạng WAN liên kết tất đơn vị trực thuộc trạm biến áp Tổng Công ty Truyền tải điện NPT với tốc độ Gbit/s, máy tính chủ lắp đặt đơn vị điều hành xử lý cố Hiệu mang lại sau đưa vào vận hành, hệ thống định vị cố đề xuất đóng vai trò vơ to lớn việc giảm thiểu thời gian điện nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Bảo vệ hệ thống điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] Dipl.-Ing Ulrich Klapper, Dr Michael Krüger, Dipl.-Ing Wolfgang Wurzer, Measurement of Line Impedances and Mutual Coupling of Parallellines, Relay Protection and Substation Automation of Modern EHV Power Systems, Moscow – Cheboksary, 2007 [3] Le Kim Hung, Vu Phan Huan, “An ANFIS Based Approach to Improve the Fault Location on 110 kV Transmission Line Dak Mil – Dak Nong”, International Journal of Computer Science Issues, Vol 11, Issue 3, No 1, 2014 [4] Gale P F., Taylor P V., Naidoo P., Hitchin C., Clowes D., Travelling Wave Fault Locator Experience on Eskom’s TransmissionNetwork, Seventh International Conference on Developments in Power System Protection (IEE) April 2001, pp 327–330 [5] Edmund O Schweitzer, III, Armando Guzmán, Mangapathirao V Mynam, Veselin Skendzic, and Bogdan Kasztenny Locating Faults by the Traveling Waves They Launch, Schweitzer Engineering Laboratories (2014), Inc [6] Võ Viết Đạn, Giáo trình kỹ thuật điện cao áp, NXB Hà Nội, 1972 (BBT nhận bài: 10/05/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/05/2018) ... truyền tải, điển hình đường dây đường dây 500kV Dốc Sỏi/ 574 - Đà Nẵng/ 576 (Hình 6) Hình Mơ hình mơ phương pháp định vị cố sóng lan truyền cho đường dây 500kV Dốc Sỏi/ 574 - Đà Nẵng/ 576 a Đường dây truyền. .. xét: Định vị cố phương pháp sóng lan truyền kiểu D cho đường dây 500kV, cần có thơng tin chiều dài đường dây, vận tốc truyền sóng thời gian chênh lệch xung tín hiệu truyền đến hai đầu đường dây. .. phân tích Xây dựng mơ hình đường dây để đánh giá phương pháp định vị cố sóng lan truyền Để đánh giá tính ưu việt phương pháp, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô cho đường dây truyền