Luận văn nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống bảo vệ đường dây

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - - - - - - - - - * * * - - - - - - - - - VŨ THANH HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG BẢO VỆ ðƯỜNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số: 60.62.54 Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Trí Dương HÀ NỘI - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội , ngày 22 tháng 11 năm 2011 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Thanh Hải Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học TS. Ngô Trí Dương đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Đồng thời định hướng giải quyết các vấn đề khoa học và chỉnh sửa cấu trúc của luận văn để luận văn hoàn thành đúng theo kế hoạch. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội; Viện đào tạo Sau đại học; Khoa Cơ điện đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. Tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn thầy Chủ nhiệm bộ môn và quí thầy, cô trong bộ môn Điện kỹ thuật của khoa Cơ điện trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành mô hình hệ thống bảo vệ đường dây. Đồng thời có nhiều ý kiến quý báu để luận văn đi đúng hướng và đảm bảo đúng theo kế hoạch. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các đồng nghiệp đã góp ý xây dựng để luận văn đạt chất lượng. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng cả sự nhiệt tình, tâm huyết và năng lực của mình; Tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn đồng nghiệp. Hà Nội , ngày 22 tháng 11 năm 2011 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Thanh Hải Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng vii Danh mục hình viii LỜI MỞ ðẦU i 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục đích nghiên cứu 2 3. Nội dung nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 1.1. Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội của thành phố Thái Bình 4 1.1.1. Đặc điểm tự nhiên 4 1.1.2. Đặc điểm kinh tế xã hội 5 1.2. Hiện trạng lưới điện của thành phố Thái Bình 5 1.3. Điều kiện tự nhiên, xã hội tại khu vực Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Cơ sở đào tạo Thái Bình 7 1.4 Thực trạng lưới điện tại trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Cơ sở đào tạo Thái Bình 7 1.5. Thực trạng hệ thống bảo vệ đường dây hạ thế tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Cơ sở đào tạo Thái Bình 9 1.6. Tính quan trọng của việc bảo vệ quá dòng đường dây 10 1.7. Ý nghĩa của ứng dụng tự động hóa vào bảo vệ đường dây 10 1.8. Giới hạn của đề tài 12 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BẢO VỆ ðƯỜNG DÂY 13 2.1. Phân loại đường dây 13 2.2. Các dạng sự cố và biện pháp bảo vệ đường dây tải điện 13 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iv 2.3. Các phương pháp bảo vệ đường dây hạ thế thường dùng 14 2.3.1. Bảo vệ quá dòng 14 2.3.2. Bảo vệ khoảng cách 25 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ ðƯỜNG DÂY TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ ðÀO TẠO THÁI BÌNH 27 3.1. Phân tích đánh giá các phương pháp bảo vệ đường dây 27 3.2. Các thiết bị bảo vệ quá dòng cho đường dây 27 3.3. Tính toán bảo vệ quá dòng trên đường dây 32 3.4. Tính toán chọn thiết bị đo lường và điều khiển trung gian (BI) 33 3.5. Tính toán các giá trị bảo vệ đường dây 35 3.5.1. Bảo vệ quá tải 35 3.5.2. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh 36 CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU BỘ ðIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC S7 – 200 37 4.1. Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7 – 200 37 4.1.1. Giới thiệu chung về PLC 37 4.1.2. Ưu điểm của PLC trong tự động hóa 38 4.1.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 39 4.2. Ngôn ngữ lập trình Simatic S7-200 50 4.2.1. Cấu trúc chương trình của S7-200 51 4.2.2. Thực hiện chương trình của S7-200 52 4.2.3. Ngôn ngữ lập trình của S7 - 200 53 4.3. Một số lệnh cơ bản của SIMATIC S7 – 200 55 4.3.1. Các lệnh vào ra 55 4.3.2. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm 56 4.3.3. Các lệnh logic đại số Boolean 56 4.3.4. Các lệnh so sánh 57 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… v 4.3.5. Các lệnh điều khiển Timer 57 4.3.6. Các lệnh điều khiển Counter 59 4.4. Phương pháp lập trình trên STEP 7 – MICRO/WIN32 61 4.4.1. Các thành phần quan trọng 61 4.4.2. Phương pháp lập trình 62 4.4.3. Soạn thảo chương trình 63 4.4.4. Download chương trình xuống PLC 65 4.5. Trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC 66 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHO ðƯỜNG DÂY HẠ ÁP TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ ðÀO TẠO THÁI BÌNH 68 5.1. Phân tích đối tượng, yêu cầu thiết kế bảo vệ 68 5.2. Lựa chọn thiết bị, phân công tín hiệu vào ra 69 5.2.1. Lựa chọn thiết bị 69 5.2.2. Chuyển đổi dữ liệu đầu vào EM231 76 5.3. Yêu cầu điều khiển và kết nối 76 5.4. Xây dựng thuật toán điều khiển 80 5.4.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc 80 5.4.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán 81 5.5. Chương trình điều khiển 82 5.6. Mô phỏng bằng Simulator S7 – 200 83 CHƯƠNG 6 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG 86 6.1. Yêu cầu về chế tạo mô hình 86 6.1.1. Yêu cầu xác định loại mô hình hệ thống 86 6.1.2. Yêu cầu khi thiết kế xây dựng mô hình 86 6.1.3. Quy trình thiết kế mô hình 87 6.2. Chi tiết thiết kế mô hình bảo vệ đường dây 89 6.2.1. Phân tích, lựa chọn thiết bị cho sơ đồ khối của mô hình 89 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vi 6.2.2. Tính toán xây dựng các khối mô hình con 95 6.2.3. Lắp ráp mô hình lớn 98 6.3. Đánh giá kết quả thu được 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 1. Kết luận 99 2. Kiến nghị 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Áp tô mát trong sơ đồ đường dây cấp điện trong khu vực trường 9 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Máy biến dòng hạ thế loại CT-0.6 34 Bảng 4.1. Đặc điểm và vùng nhớ của CPU 22X 44 Bảng 4.2. Tổng hợp các khối mở rộng của PLC S7 - 200 46 Bảng 4.3. Tổng hợp đặc điểm về dữ liệu họ CPU 22X 48 Bảng 4.4. Tổng hợp về cách truy xuất theo các kiểu dữ liệu 50 Bảng 4.5. Các loại Timer của S7-200 (đối với CPU 214) theo TON, TONR 58 Bảng 5.1. Một số loại module mở rộng của S7-200 71 Bảng 5.2. Bảng định cấu hình cho EM231 ở chế độ nguồn đơn cực 74 Bảng 5.3. Điện áp đặt quy đổi sau khi dòng đi qua trở 1 Ω 76 Bảng 5.4. Quy đổi tín hiệu điện áp sang dạng 16 bít. 76 Bảng 5.5. Bảng phân công tín hiệu vào/ra của PLC 82 Bảng 6.1. Thống kê linh kiện và phụ kiện 97 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ đường dây cấp điện trong khu vực trường 8 Hình 1.2. Aptomat LG 9 Hình 2.1. Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng độc lập (1), phụ thuộc (2) Và hỗn hợp(3, 4) 14 Hình 2.2. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh đường dây một nguồn cung cấp 18 Hình 2.3. Bảo vệ quá dòng cắt nhanh đường dây hai nguồn cung cấp 18 Hình 2.4. Sơ đồ Bảo vệ quá dòng có kiểm tra áp 18 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ quá dòng có hướng cho đường dây 1 nguồn cung cấp. 20 Hình 3.1. Cấu tạo chung của MCCB 28 Hình 3.2. Cấu tạo của một MCCB C60 29 Hình 3.3. Đồ thị đặc tính hoạt động của MCCB 30 Hình 3.4. Sơ đồ mắc BI nối Y với Rơ le 34 Hình 3.5. Sơ đồ mắc BI nối ∆ với Rơ le 35 Hình 4.1. Hình ảnh thực tế của PLC 38 Hình 4.2: Cấu trúc của một PLC 39 Hình 4.3. Hình ảnh của Cáp truyền PC-PPI 40 Hình 4.4. Tổng thể bộ xử lý trung tâm CPU 214 40 Hình 4.5. Hình dáng bộ CPU 224 41 Hình 4.6. Kết nối CPU với module mở rộng 45 Hình 4.7. Sơ đồ kết nối PLC với PC 46 Hình 4.7. Giao tiếp giữa PLC với PC và vấu tạo cáp PC/PPI 47 Hình 4.8. Cấu trúc các chương trình trong PLC 51 Hình 4.9. Thực hiện chương trình quét trong PLC 52 Hình 4.10a. Trạng thái ngăn xếp trước và sau khi thực hiện lệnh LD 55 Hình 4.10b. Trạng thái ngăn xếp trước và sau khi thực hiện lệnh LDN 55 Hình 4.11. Timer của S7-200 61 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ix Hình 4.12a. Bộ đếm CTU của S7-200 59 Hình 4.12b. Bộ đếm lùi CTUD của S7-200 60 Hình 4.13. Cửa sổ soạn thảo chương trình trong LAD 61 Hình 4.14. Cửa sổ soạn thảo chương trình trong STL 64 Hình 4.15. Ví dụ về lập trình bằng LAD và STL 65 Hình 4.16. Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC 67 Hình 5.1. Hình ảnh tổng thể của CPU 224 70 Hình 52. Sơ đồ các cổng vào/ra và nguồn nuôi 24VDC 71 Hình 5.3. Hình ảnh tổng thể của module EM231 75 Hình 5.4. Cấu trúc của EM231 76 Hình 5.5. Sơ đồ đấu dây các thiết bị với EM231 72 Hình 5.6: Sơ đồ khối mạch đầu vào tương tự 73 Hình 5.7: Bộ định cấu hình DIP cho module EM231 73 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý thiết bị vào PLC 75 Hình 5.9. Sơ đồ kết nối tổng thể 78 Hình 5.10. Sơ đồ kết nối BI với EM231 79 Hình 5.11. Sơ đồ kết nối Role với PLC 79 Hình 5.12. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 80 Hình 5.13. Lưu đồ thuật toán điều khiển 81 Hình 5.14. Trạng thái làm việc trên S7 – 200 Simulator 85 Hình 6.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu mô phỏng 88 Hình 6.2. Máy biến áp 250/12VAC, 2A 89 Hình 6.3. Dây đồng 1 lõi, 2mm2 90 Hình 6.4. Dây điện 1 sợi 1,5mm2 90 Hình 6.5. Dây điện nhỏ 1 sợi 0,2mm2 91 Hình 6.6. Rơ le 12VDC 95 Hình 6.7. Đế gắn Rơ le 95 Hình 6.8. Sơ đồ tiếp điểm của Rơ le 92 Hình 6.9. Linh kiện điều áp LM317 93 . pháp bảo vệ hiện tại để từ đó xây dựng mô hình bảo vệ lưới điện thu nhỏ. Xây dựng mô hình ngoài để kiểm chứng và đưa PLC S7 – 200 vào bảo vệ cho đường dây, . mạch bảo vệ quá dòng cho đường dây Chương 6. Chế tạo mô hình và mô phỏng 4. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu về bảo vệ hệ thống