Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) đến rơle bảo vệ khoảng cách trên đường dây truyền tải điện năng. Các dữ liệu đo lường dòng điện và điện áp tại vị trí đặt rơle được thu thập và tính toán giá trị tổng trở đo trong các chế độ có và không có TCSC lắp đặt trên đường dây.
13, SốTr.1,13-22 2019 Tạp chí Khoa học - Trường ĐH Quy Nhơn, ISSN: 1859-0357, Tập 13, SốTập 1, 2019, NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ TCSC ĐẾN RƠLE BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG NGƠ MINH KHOA*, ĐỒN ĐỨC TÙNG Khoa Kỹ thuật Cơng nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn TĨM TẮT Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng thiết bị bù dọc điều khiển thyristor (TCSC) đến rơle bảo vệ khoảng cách đường dây truyền tải điện Các liệu đo lường dòng điện điện áp vị trí đặt rơle thu thập tính tốn giá trị tổng trở đo chế độ có khơng có TCSC lắp đặt đường dây Sự cố ngắn mạch xảy vị trí khác đường dây tải điện khảo sát để từ tính tốn định vị vị trí cố xảy đường dây nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách Phần mềm mô Matlab/Simulink sử dụng để mơ hình hóa sơ đồ hệ thống điện đơn giản bao gồm đường dây tải điện có hai nguồn cung cấp hai đầu, khối nguồn, khối đường dây, khối mơ hình TCSC, khối đo lường dịng điện điện áp, khối phân tích Fourier tích hợp mơ hình mơ hệ thống điện đơn giản Các kết mơ cho thấy ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách việc xác định tổng trở đo định vị cố đường dây truyền tải điện Từ khóa: TCSC, bảo vệ khoảng cách, tổng trở đo, đường dây truyền tải, Matlab/ Simulink ABSTRACT Impact of TCSC on Distance Protection Relay on Power Transmission Lines This paper investigates the impact of thyristor controlled series capacitor (TCSC) on the distance relay on transmission lines Voltage and current measurement data at the relay positions are collected and calculated for the apparent impedance measured in the modes with and without TCSC installed on the line Short circuit faults occur at different locations on the power transmission lines surveyed in order to calculate and locate the fault occurring on the line for the purpose of evaluating the impact of TCSC on the distance relay Matlab/Simulink software is used to model the schematic diagram of a simple power system consisting of a transmission line with two sources at the two ends, source blocks, line blocks, TCSC blocks, measurement of voltage and current blocks Discrete Fourier blocks are also integrated on the model The simulation results show that the impact of TCSC on the distance protection relay in determining the apparent impedance and location of the fault in the transmission line Keywords: TCSC, distance relay, measurement impedance, transmission line, Matlab/ Simulink Đặt vấn đề Với xu chung giới việc phát triển hệ thống điện nghiên cứu ứng dụng để khắc phục vấn đề tồn trình vận hành hệ thống điện như: lắp đặt thiết Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn Ngày nhận bài: 8/8/2018; Ngày nhận đăng: 30/9/2018 * 13 Ngơ Minh Khoa, Đồn Đức Tùng bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) vào hệ thống để vận hành linh hoạt, điều khiển dòng công suất lưới truyền tải, ổn định điện áp, giảm dao động công suất kết hợp truyền tải điện cao áp chiều HVDC để đạt chế độ tối ưu trong truyền tải điện [1-4] Ngoài ứng dụng thiết bị FACTS lắp đặt hệ thống điện có phần ảnh hưởng đến hoạt động bảo vệ rơle Bảo vệ khoảng cách xem bảo vệ đường dây truyền tải điện [1, 2] Khoảng cách dọc theo đường dây truyền tải tỷ lệ thuận với trở kháng (ZL) đường dây A B hình Bảo vệ khoảng cách đo khoảng cách từ vị trí đặt rơle đến điểm ngắn mạch cách tính tốn tỷ số điện áp dịng điện vị trí đặt rơle có ngắn mạch xảy Rơle bảo vệ khoảng cách cài đặt theo ba vùng bảo vệ (Z1, Z2 Z3) để bảo vệ cho đường dây truyền tải cao áp A B với trở kháng tổng ZAB [5-8] sau: Z1 = R1 + jX = 80% Z AB = 0,8( RAB + jX AB ) Z = R2 + jX = RAB + jX AB + 0, 2( RBC + jX BC ) (1) Z = R3 + jX = RAB + jX AB + 0, 4( RBC + jX BC ) Trong đó: Rij, Xij điện trở điện kháng đoạn đường dây từ nút i đến nút j Hình Cài đặt vùng bảo vệ bảo vệ khoảng cách [6, 7] Tuy nhiên, có tham gia TCSC ảnh hưởng trực tiếp đến tổng trở đường dây (ZAB) dẫn đến vùng cài đặt sau [2]: Z1 = 0,8 ⎡⎣ RAB + jX AB + jX TCSC ( α ) ⎤⎦ Z = RAB + jX AB + jX TCSC ( α ) + 0, ( RBC + jX BC ) (2) Z = RAB + jX AB + jX TCSC ( α ) + 0, ( RBC + jX BC ) Do báo này, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách hệ thống điện, để xem có tham gia TCSC vào hệ thống có ảnh hưởng việc xác định tổng trở đo rơle bảo vệ khoảng cách Kết nghiên cứu việc phân tích ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách nhằm giúp đưa giải pháp ngăn chặn ảnh hưởng để giúp nâng cao tính chọn lọc rơle bảo vệ khoảng cách hệ thống điện Việc thực mô hình thực nghiệm tương đối khó khăn, đó, tác giả lựa chọn cách tiếp cận việc nghiên cứu mơ hình hóa sơ đồ lưới điện phần Matlab/ Simulink để thực mục tiêu nghiên cứu báo Do đó, tác giả tiến hành xây dựng mơ hình mơ rơle bảo vệ khoảng cách Matlab/ Simulink để thu thập kết phân tích hoạt động rơle bảo vệ khoảng cách có TCSC 14 Tập 13, Số 1, 2019 Nguyên lý làm việc TCSC 2.1 Cấu tạo TCSC Thiết bị TCSC thiết bị điều khiển trở kháng nhanh đường dây hoạt động điều kiện ổn định hệ thống điện, có chức bao gồm: Giảm dao động điện áp; tăng khả truyền tải đường dây cách bù CSPK; TCSC gồm tụ điện C có giá trị khơng đổi mắc song song với điện cảm L điều khiển cách thay đổi góc mở van thyristor hình 2(a) Giá trị góc mở thay đổi 900 < α < 1800 TCSC mơ tả sơ đồ thay hình 2(b) (a) Sơ đồ cấu trúc (b) Sơ đồ thay Hình Sơ đồ cấu tạo TCSC Khi thay đổi góc mở thyristor ta thay đổi dịng điện chạy qua tụ điện, từ thay đổi dung kháng thiết bị TCSC xác định theo công thức sau: Trong ÿó: X TCSC (D) X C >1 A B @ (3) A K § G sin(G) Ã ă K 1â S (4) B ê Đ KG Ã Đ G Ã K tan ă tan ă ằ ô 4K G Đ Ã â â ạằ cos ă ô K 1 S ằ â 2ạô ôơ ằẳ (5) G 2 S D (6) K O ; 2Sf (7) O LC (8) Góc dẫn δ phần chu kỳ van thyristor trạng thái dẫn góc mở α thời gian thể phép đo góc điện (từ lúc điện áp tụ qua đến lúc bắt đầu dòng dẫn qua van thyristor) Đường đặc tính XTCSC hàm góc mở α chia thành vùng khác cảm kháng, dung kháng cộng hưởng thể hình TCSC có chế độ làm việc [7] bao gồm: Chế độ thyristor khóa, chế độ capacitor nối tắt chế độ vernier 15 Ngơ Minh Khoa, Đồn Đức Tùng Hình Đường cong đặc tính TCSC 2.2 Cách tính chọn thơng số TCSC Các thông số TCSC lựa chọn phụ thuộc theo hệ số bù k, ví dụ: k = 0,75 ta xác định thơng số TCSC sau: (9) X C = 0,75 X AB Trong đó: XAB điện kháng đường dây AB bảo vệ Giá trị điện dung TCSC là: C= 2πfX C (10) Giá trị điện kháng TCR phụ thuộc vào yêu cầu phạm vi hoạt động TCSC Bình thường XL/XC cho mục đích thực tế nên nằm khoảng từ 0,1 ÷ 0,3 Do ta chọn XL/XC = 0,25 Từ ta xác định điện cảm TCSC là: L= XL 2πf (11) Trong đó: f tần số dòng điện Nghiên cứu ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách 3.1 Mô tả đối tượng nghiên cứu Giả sử xét hệ thống điện đơn giản hình gồm có nguồn phát, đường dây 500 kV có hai nguồn cung cấp đầu đường dây, bảo vệ rơle bảo vệ khoảng cách đặt đầu bù dọc TCSC đặt đầu đường dây Các thông số phần tử sơ đồ thể bảng Ở chế độ xác lập ban đầu nguồn A giả định nguồn PV phát công suất 200 MW phía nguồn B giữ vai trị nút điều khiển điện áp, nguồn B giữ vai trò nút cân có điện áp góc pha tham chiếu Đường dây có chiều dài 200 km khảo sát xảy cố ngắn mạch vị trí khác để nghiên cứu ảnh hưởng thông số TCSC đến việc xác định tổng trở đo vị trí cố rơle bảo vệ khoảng cách đầu A Tín hiệu dịng điện điện áp đo từ TI, TU đưa rơle bảo vệ khoảng cách 16 Tập 13, Số 1, 2019 từ thơng số dịng điện điện áp tính tổng trở đo vị trí ngắn mạch tính từ vị trí đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch Hình Sơ đồ hệ thống điện đơn giản Các thông số TCSC đường dây phụ thuộc vào hệ số bù k, báo giả sử hệ số bù TCSC k = 0,75; theo phần lựa chọn tính tốn thơng số ta chọn tỷ số XL/XC = 0,25 từ ta tính giá trị điện kháng XTCSC theo góc mở α sau: XC 0,75 X AB XL 0, 25 X C O LC 44 (:) ; C 0,75.58, 67 0, 25.44 11 (:) ; L 0,035.0,723.10 6 2S.50 X C XL 2Sf 628,32 ; K 11 2S.50 O Z 2S.50.44 0,723.106 (F) 0,035 (H) 628,32 2S.50 Bảng Thông số hệ thống điện đơn giản Stt Phần tử Thông số Nguồn A Điện áp: U = 500 (kV) Công suất ngắn mạch: SN = 8000 (MVA) Tỷ số: X/R = 10 Nút PV: P = 200 MW Nguồn B Điện áp: U = 500 (kV) Công suất ngắn mạch: SN = 10000 (MVA) Tỷ số: X/R = 10 Nút cân Đường dây Chiều dài: L = 200 (km) Tổng trở thứ tự không thứ tự thuận: z0 = 0,3864 + j1,2963 (Ω/km) z1 = 0,01273 + j0,32798 (Ω/km) Từ thông số mơ hình hệ thống điện ta tính tốn giá trị điện kháng XTCSC theo giá trị góc mở α khác xây dựng đặc tính dung kháng TCSC hình Trên hình 5, đường đặc tính màu đỏ nằm góc phần tư phía bên trái giá trị điện kháng TCSC làm việc chế độ cảm kháng ứng với góc mở α từ 900 đến 1300, chế độ TCSC điện kháng có tính cảm nên điện kháng XTCSC > Còn đường đặc tính màu xanh nằm 17 Ngơ Minh Khoa, Đồn Đức Tùng góc phần tư phía bên phải giá trị điện kháng TCSC làm việc chế độ dung kháng ứng với góc mở α từ 1400 đến 1800, chế độ TCSC điện kháng có tính dung nên XTCSC < 0, tương ứng với chế độ bù dọc Rõ ràng phạm vi góc mở thyristor từ 1300 đến 1400 tương ứng với chế độ cộng hưởng TCSC Như kết đặc tính giúp ta lựa chọn góc mở α phù hợp cho chế độ vận hành TCSC mong muốn Hình Đặc tính dung kháng TCSC theo góc mở thyristor 3.2 Xây dựng mơ hình mô Matlab/ Simulink Để thuận tiện cho việc kiểm tra phân tích ảnh hưởng TCSC có ngắn mạch xảy ra, tác giả xây dựng mơ hình mơ hoạt động rơle bảo vệ khoảng cách phần mềm Matlab/Simulink hình Tín hiệu điện áp, dịng điện pha A sau qua khối phân tích Fourier rời rạc giá trị biên độ góc pha điện áp dịng điện pha A Từ xác định tổng trở đo vị trí đặt rơle đầu đường dây Tất thông số lưu vào workspace Matlab sau lần mô cố ngắn mạch xảy đường dây Từ kết đó, tổng trở đo vị trí đặt rơle tính tốn để so sánh hai trường hợp có khơng có đặt TCSC đường dây Hình Mơ hình mơ hệ thống có TCSC Simulink Trong hình 6, khối Three-phase source A and Three-phase source B khối nguồn pha hai đầu đường dây truyền tải A B Đường dây truyền tải ba pha mơ hình dạng sơ đồ hình π chia thành hai đoạn Three-Phase PI Section Line Three-Phase 18 Tập 13, Số 1, 2019 PI Section Line Khối Three-Phase Series RLC Branch mô tả cho thiết bị TCSC mà giá trị dung kháng điều chỉnh theo góc mở α Các dạng ngắn mạch giả lập khối Three-Phase Fault nối vào điểm hai đoạn đường dây Điện áp dòng điện A đo lường khối đo áp dịng Sau tín hiệu điện áp dịng điện A đưa qua khối Fourier để thực việc xử lý tín hiệu tính tốn điện áp dịng điện tần số đưa đến khối biên độ điện áp vm, góc pha điện áp delta, biên độ dịng điện im góc pha dịng điện theta Tổng trở tính thương số biên độ điện áp biên độ dịng điện, sau đưa giá trị đến khối Z Giả sử ngắn mạch ba pha trực tiếp bắt đầu thời điểm 0,2 s xảy vị trí đường dây trường hợp có khơng có TCSC đặt nối tiếp vào đường dây, tín hiệu dạng sóng điện áp dịng điện pha A vị trí rơle đầu đường dây thu thập để phân tích tính tốn tổng trở đo vị trí rơle Các đồ thị dạng sóng điện áp, dòng điện pha A thể hình hình Ở chế độ xác lập trước cố ứng với khoảng thời gian từ đến 0,2 s điện áp dịng điện pha A bình thường Nhưng thời điểm t = 0,2 s bắt đầu xảy ngắn mạch điện áp dòng điện bắt đầu thay đổi hình (đối với trường hợp khơng có TCSC) hình (đối với trường hợp có TCSC với hệ số bù k = 0,75 góc mở α = 1800) Rõ ràng kết mơ hình hình cho thấy có TCSC mắc nối tiếp vào đường dây nên làm ảnh hưởng đến điện áp dòng điện đo rơle, cụ thể điện áp dòng điện dao động nhiều khoảng thời gian độ, biên độ dòng điện ngắn mạch tăng lên so với trường hợp khơng có TCSC Chính điều làm ảnh hưởng đến tổng trở độ đo rơle ảnh hưởng đến khả xác định vị trí cố rơle nghiên cứu nội dung tiếp sau Hình Điện áp dòng điện pha A ngắn mạch ba pha đường dây khơng có TCSC 19 Ngơ Minh Khoa, Đồn Đức Tùng Hình Điện áp dịng điện pha A ngắn mạch ba pha đường dây có TCSC Từ kết hai trường hợp có khơng có TCSC mơ trình bày trên, kết tổng trở đo vị trí đặt rơle thu thập phân tích Hình thể tổng trở đo ví trí đặt rơ le khơng có có TCSC (ứng với hệ số bù k = 0,75 góc mở α = 1800) Hình cho thấy giai đoạn từ đến 0,2 s chế độ xác lập trước cố nên tổng trở đo phụ thuộc vào thông số chế độ xác lập trước cố, tức phụ thuộc vào điện áp nguồn công suất tải truyền đường dây (giả định 200 MW truyền từ nguồn A đến nguồn B) Tổng trở có giá trị lớn nên zoom phạm vi từ đến 0,2 s phần bên trái hình Bắt đầu thời điểm 0,2 s ngắn mạch xảy nên tổng trở đo rơle diễn trình độ giảm mạnh đáng kể phần bên phải hình Qua cho thấy TCSC khơng làm ảnh hưởng đến tổng trở đo giai đoạn độ mà làm thay đổi giai đoạn xác lập sau cố Điều ảnh hưởng đáng kể đến trình làm việc rơle bảo vệ khoảng cách đường dây Hình Tổng trở đo ngắn mạch ba pha đường dây 20 Tập 13, Số 1, 2019 Trong kết sau đây, tác giả khảo sát cố ngắn mạch pha trực tiếp xảy vị trí khác đường dây chẳng hạn vị trí 0, 20, 40, 60 km,… tính từ vị trí đặt rơle đến điểm ngắn mạch Khi đó, kết dịng điện điện áp tính tốn dạng biên độ góc pha thơng qua biến đổi Fourier rời rạc giá trị tổng trở đo vị trí đặt rơle thể bảng Kết mô bảng cho thấy thông số TCSC chẳng hạn hệ số bù góc mở thyristor TCSC ảnh hưởng đến rơle bảo vệ khoảng cách Bảng kết tính tốn giá trị điện áp, dịng điện tổng trở xảy ngắn mạch pha đường dây hai trường hợp có khơng có TCSC Tuy nhiên giá trị góc mở α TCSC giả sử giá trị cố định để khảo sát thay đổi tổng trở đo rơle Từ kết cho thấy tổng trở đo rơle có TCSC bị thay đổi rõ rệt, cần đưa giải pháp nhằm ngăn chặn ảnh hưởng để nâng cao tính chọn lọc rơle bảo vệ khoảng cách Bảng Kết điện áp, dòng điện tổng trở đo rơle xảy ngắn mạch đường dây Vị trí (km) Khơng có TCSC UA (V) δA (độ) IA (A) Có TCSC φA (độ) 12.63 -90.92 9208.90 -92.04 Zđo (Ω) UA (V) δA (độ) 0.00 969496.18 -21.53 IA (A) φA (độ) Zđo (Ω) 22034.63 68.47 44.00 20 45575.03 -5.05 7759.73 -92.55 5.87 1438626.69 -33.54 37727.65 56.08 38.13 40 78778.94 -5.41 6703.46 -92.92 11.75 2473250.74 -81.36 76661.50 7.73 32.26 60 104065.17 -5.69 5898.80 -93.20 17.64 1222946.04 -147.50 46350.58 -59.16 26.38 80 123979.44 -5.92 5264.92 -93.42 23.55 513305.36 -163.83 25041.56 -76.69 20.50 100 140082.20 -6.10 4752.27 -93.60 29.48 244525.52 -167.93 16742.78 -82.97 14.60 120 153383.15 -6.25 4328.74 -93.74 35.43 109308.56 -165.90 12506.50 -86.10 8.74 140 164564.47 -6.37 3972.65 -93.87 41.42 31631.58 -143.32 9953.19 -87.99 3.18 160 174103.58 -6.48 3668.83 -93.97 47.45 32996.43 -30.52 8250.23 -89.22 4.00 180 182344.67 -6.58 3406.32 -94.05 53.53 68796.30 -14.02 7035.58 -90.10 9.78 200 189542.08 -6.66 3177.03 -94.13 59.66 96993.43 -10.30 6125.29 -90.76 15.83 Kết luận Từ sở lý thuyết thiết bị TCSC rơle bảo vệ khoảng cách hệ thống điện, báo nghiên cứu ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách Các nghiên cứu thực việc xây dựng mơ hình mơ phần mềm Matlab/Simulink để mơ hình hóa sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm đường dây có hai nguồn cung cấp hai đầu Các giả định ngắn mạch thiết lập đường dây vị trí khác nhằm đánh giá ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách Các kết mô cho thấy ảnh hưởng TCSC đến bảo vệ khoảng cách có đặt TCSC tổng trở đo vị trí đặt rơle bị ảnh hưởng khoảng thời gian độ khoảng thời gian xác lập sau cố Điều gây khó khăn việc định vị cố có ngắn mạch xảy ra, làm chậm q trình 21 Ngơ Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng khắc phục cố đường dây Kết nghiên cứu báo phần tham khảo để tìm kiếm giải pháp nâng cao tính chọn lọc rơle bảo vệ khoảng cách đường dây truyền tải điện điều kiện có lắp đặt thiết bị TCSC TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Trần Đình Long, Bảo vệ hệ thống điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật, (2007) Nguyễn Hoàng Việt, Bảo vệ rơle tự động hóa hệ thống điện, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, (2011) S Sajedi, F Khalifeh, Z Khalifeh, T karimi, Application of wavelet transform for identification of fault location on transmission lines, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol 5, No 12, pp 1428 - 1432, (2011) Amir TABATABAEI, Mohammad-Reza MOSAVI, Abdolreza RAHMATI, Fault location techniques in power system based on traveling wave using wavelet analysis and GPS timing, Electrical Review, pp 347 - 350, (2012) A Kazemi, S Jamali and H Shateri, Measured impedance by distance relay in presence of SVC on transmission line, International Review of Electrical Engineering, Vol 5, pp 2214 - 2219, (2006) Ngo Minh Khoa, Nguyen Huu Hieu, and Dinh Thanh Viet, A study of SVC’s impact simulation and analysis for distance protection relay on transmission lines, International Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol 7, No 4, pp 1686 - 1695, (2017) S Meikandasivam, R K Nema, and S K Jain, Selection of TCSC parameters: Capacitor and inductor, 2010 India International Conference on Power Electronics, New Delhi, India, January 28 - 30, (2011) ... trong truyền tải điện [1-4] Ngoài ứng dụng thiết bị FACTS lắp đặt hệ thống điện có phần ảnh hưởng đến hoạt động bảo vệ rơle Bảo vệ khoảng cách xem bảo vệ đường dây truyền tải điện [1, 2] Khoảng cách. .. -90.76 15.83 Kết luận Từ sở lý thuyết thiết bị TCSC rơle bảo vệ khoảng cách hệ thống điện, báo nghiên cứu ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách Các nghiên cứu thực việc xây dựng mơ hình mơ phần... khoảng cách hệ thống điện, để xem có tham gia TCSC vào hệ thống có ảnh hưởng việc xác định tổng trở đo rơle bảo vệ khoảng cách Kết nghiên cứu việc phân tích ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách