Hình 4.1 Mô hình Matlab - Simulink mô phỏng đường dây
Mô hình mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng hệ thống điện bao gồm đường dây 3 pha được nối từ hai nguồn GridA và GridB với lưới điện truyền tải, điện áp 220kv, công suất ngắn mạch 1020MVA. Các điểm sự cố được xét bao gồm các vị
Các tín hiệu đo lường của biến dòng (BI), và biến áp (BU) được lấy từ thanh cái B1 sẽ làm đầu vào cho các logic thuật toán bảo vệ quá dòng có hướng. Sau khi ghép nối các khối ta lấy ra được trên hình 4.2.
Hình 4.2 Khối mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng
Trên sơ đồ hình 4.2 bảo vệ quá dòng có hướng, tín hiệu dòng điện Iabc_B1, tín hiệu điện áp Vabc_B1, sẽ là đầu vào cho các khối logic thuật toán bảo vệ quá dòng có hướng. R67 khối bảo vệ quá dòng có hướng gồm các thành phần chính.
● Khối bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng.
● Khối bảo vệ quá dòng thứ tự không và quá dòng có hướng thứ tự không.
● Khối bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng.
Hình 4.3 Khối đưa tín hiệu đến máy cắt
4.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán bảo vệ quá dòng có hƣớng 4.3.1 Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng
Bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng có hướng có thuật toán tương tự nhau. Với bảo vệ quá dòng có hướng có thêm điều kiện về hướng của công suất và điều
kiện khởi động của bảo vệ. Về mặt đo lường và tính toán bảo vệ quá dòng có hướng phức tạp hơn khi cần xác định hướng của công suất. Khi có ngắn mạch 1 pha dòng điện pha sự cố tăng cao, nếu nguồn cấp có công suất không đủ lớn sẽ xảy ra hiện tương điện áp pha sự cố sụt rất thấp gây khó khăn cho việc đo lường.
Việc định hướng công suất của rơ le được chọn theo cách có lợi nhất cho đo lường và có độ tin cậy cao. Phương pháp được đề nghị là sử dụng dòng điện của pha sự cố và điện áp dây của 2 pha còn lại để xác định hướng của công suất. Quá trình tính toán cũng thực hiện đồng thời trên cả 3 pha. Khi có sự cố ít nhất 1 trong 3 pha thì bảo vệ tác động. Điều kiện làm việc của bảo vệ là -(90+α) ≤ φR ≤ (90-α) , trong thử nghiệm thực tế giá trị α được chọn là α = 30o.
Các tín hiệu dòng điện, điện áp và góc pha được đưa qua bộ biến đổi Fourier. Khi dòng điện lớn hơn giá trị đặt thì sẽ xuất tín hiệu và kết hợp với góc pha thỏa mãn điều kiện – 30o
≤ φ67A ≤ 120o
thì được xác định ngắn mạch cùng hướng và thỏa mãn hai điều kiện trên thì đưa tín hiệu đi cắt.
Hình 4.5 Sơ đồ khối mô phỏng bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng
Từ sơ đồ logic thiết kế trên Matlab/Simulink các khối mô phỏng bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá dòng có hướng. Ở sơ đồ này ta chỉ lấy tín hiệu R67_pickedup, chức năng bảo vệ có hướng thông thường. Khi có sự cố ngắn mạch ngược hướng với rơ le thì chỉ có bảo vệ quá dòng tác động (51_pickedup), còn bảo vệ quá dòng có hướng không tác động. Khi điểm ngắn mạch nằm trong phạm vi xác định hướng thì bảo vệ quá dòng có hướng mới tác động (R67_pickedup). Tín hiệu mô phỏng được lấy ra quan sát trên hình 4.5.
4.3.2.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng thứ tự không
Khi ngắn mạch một pha và hai pha chạm đất thì xuất hiện dòng điện và điện áp thứ tự không, dựa vào đó rơ le xác định sự cố cùng hướng hay ngược hướng như trên hình 4.5.
Hình 4.6 Sơ đồ logic bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không
Dòng điện, điện áp và góc pha được biến đổi qua chuỗi Fourier, khi có sự cố chạm đất thì dòng điện thứ tự không sẽ tăng đột biến, khi dòng I0 lớn hơn IS và so sánh với góc pha, ở đây ta chọn α = 450
đối với lưới truyền tải. Khi góc pha nằm trong khoảng -450 và 1350 kết hợp với dòng sự cố thỏa mãn điều kiện trên thì đưa tín hiệu tới 67N Pickedup.
Từ sơ đồ logic dùng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink thiết kế sơ đồ khối trên hình 4.7.
Hình 4.7 Khối logic bảo vệ quá dòng chạm đất và quá dòng có hướng chạm đất
Khi có ngắn mạch N(1) và N(1,1) thì sẽ xuất hiện dòng điện thứ tự không và điện áp thứ tự không. Nhờ phép biến đổi Fourier, ta xác định được độ lớn và góc pha của dòng và áp thứ tự không. Ta lấy dòng thứ tự không so sánh với áp thứ tự không, nếu nằm trong khoảng -450 < φ67N < 1350 kết hợp với dòng điện thứ tự không, nếu lớn hơn giá trị cài đặt thì sẽ xuất tín hiệu đến 67N_ pickedup.
4.3.3.Sơ đồ bảo vệ quá dòng có hƣớng dự phòng
Khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây gần vị trí rơ le, điện áp giữa các pha giảm xuống bằng không, bảo vệ quá dòng có hướng sẽ không còn chính xác. Để xác định được điểm sự cố trong trường hợp này, ta dựa vào dòng điện trước sự cố và dòng điện tại thời điểm xảy ra sự cố như trên hình 4.8.
Hình 4.8 Sơ đồ logic bảo vệ dự phòng
Dựa vào sơ đồ logic dùng phần mềm Matlab/Simulink để ghép nối các khối logic bảo vệ dự phòng như trên hình 4.9.
4.4 Kết quả mô phỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.4.1 Xét các sự cố khi có ngắn mạch cùng hƣớng (hƣớng thuận 0km) a. Ngắn mạch 1 pha N(1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - đất tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R= 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.10 Dòng điện và điện áp các pha trước và sau sự cố khi ngắn mạch 1 pha
Hình 4.11 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 1 pha
● Function 67 signal là tín hiệu tác động của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng.
● Function 51 signal là tín hiệu tác động của chức năng bảo vệ quá dòng.
● Function 51N signal và Function 67N signal là tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không.
● Function 67- Backup signal tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng.
Như trên hình 4.1 ta thấy thời gian ngắn mạch là 0,2s, thời gian rơ le phát hiện sự cố là 0,216s, cộng với thời gian cài đặt ( t_ trip) bằng 0,02s. Thời gian đưa tín hiệu đi cắt là 0,236s.
Tín hiệu của chức năng bảo vệ có hướng dự phòng không tác động trong trường hợp ngắn mạch một pha chạm đất.
b. Ngắn mạch 2 pha N(2)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A và pha B tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R= 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Các khối thuật toán logic cho kết quả hình 4.13.
Hình 4.13 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mach hai pha
Kết quả, khi ngắn mạch 2 pha thì chỉ có bảo vệ có hướng Function 67 signal và bảo vệ quá dòng Function 51 signal tác động như trên hình 4.13.
Thời gian ngắn mạch là 0,02s, thời gian rơ le phát hiện sự cố là 0,216s, thời gian đưa tín hiệu đi cắt là 0,236s, nhưng đến thời gian 0,260s mới dập tắt dòng ngắn mạch.
Các tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự không, bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng không tác động.
c. Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B - đất, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.15 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất
Kết quả mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất, ta thấy tín hiệu của các chức năng bảo vệ quá dòng, quá dòng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng, bảo vệ quá dòng có hướng thứ tự không đều phát hiện sự cố thời gian là 0,216s, và đưa tín hiệu đi cắt tại 0,236s.
Tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng trong trường hợp ngắn mạch hai pha chạm đất không hoạt động.
d. Ngắn mạch 3 pha N(3)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B – pha C, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Dòng điện và điện áp trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha được quan sát như trên hình 4.16.
Hình 4.17 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha
Khi ngắn mạch 3 pha thì điện áp ngắn mạch sẽ giảm gần về không, lúc này tín hiệu bảo vệ quá dòng có hướng, bảo vệ có hướng thứ tự không, quá dòng thứ tự không, không tác động nhưng ta thấy có tín hiệu ở 0,235s và dập tắt ở 0,252s. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong ngắn mạch 3 pha chỉ có bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng tác động thời gian rơ le phát hiện sự cố 0,214s, đến 0,234s đưa tín hiệu đi cắt.
Vậy kết quả mô phỏng đúng và chính xác khi ngắn mạch cùng hướng tại điểm 0km.
4.4.2 Xét các điểm sự cố không cùng hƣớng với rơ le (hƣớng nghịch 0km) a. Ngắn mạch 1 pha N(1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - đất, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Dòng điện và điện áp trước và trong sự cố khi ngắn mạch một pha chạm đất được quan sát hinh 4.18.
Hình 4.19 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 1 pha
Khi ngắn mạch 1 pha chạm đất, tín hiệu của các chức năng bảo vệ quá dòng có hướng, quá dòng có hướng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng không tác động (do ngược hướng với rơ le).
Trong trường hợp này chỉ có chức năng của bảo vệ quá dòng và quá dòng thứ tự không tác động (do không cần xác định hướng).
b. Ngắn mạch 2 pha N(2)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Dòng điện và điện áp trước và trong sự cố khi ngắn mạch hai pha được quan sát trên hình 4.20.
Hình 4.21 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 2 pha
Đối với ngắn mạch hai pha không chạm đất, chỉ có tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng tác động. thời gian rơ le nhận biết sự cố là 0,214s.
Trong trường hợp này các chức năng bảo vệ quá dòng có hướng, quá dòng có hướng thứ tự không, bảo vệ quá dòng hướng dự phòng không tác động (do ngược hướng rơ le), như trên hình 4.21.
c. Ngắn mạch 2 pha chạm đất N(1,1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B - đất, tại vị trí chiều dài 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xẩy ra ngắn mạch.
Hình 4.23 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 2 pha cham đất
Khi ngắn mạch hai pha chạm đất, thì chỉ có tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng, quá dòng thứ tự không làm việc (không cần xác định hướng). Thời gian rơ le nhận biết được sự cố là 0,214s.
Trong trường hợp này các chức năng bảo vệ quá dòng có hướng, quá dòng có hướng thứ tự không và bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng không tác động (do ngược hướng với rơ le).
d. Ngắn mạch 3 pha N(3)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B - pha C, tại vị trí chiều 0% đường dây, với điện trở sự cố R = 0,001Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Dòng điện và điện áp trước và trong sự cố khi ngắn mạch 3 pha được quan sát hình 4.24.
Hình 4.25 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và trong sự cố ngắn mạch 3 pha
Khi ngắn mạch 3 pha, các sơ đồ tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng, quá dòng có hướng thứ tự không, quá dòng có hướng dự phòng, không tác động (do ngược hướng với rơ le).
Tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng, nhận biết sự cố tại thời điểm 0,214s, tín hiệu bảo vệ quá dòng thứ tự không không tác động vì không có ngắn mạch chạm đất.
4.4.3 Sự cố ngắn mạch cùng hƣớng(hƣớng thuận 30km với Rđ =5Ω) a. Ngắn mạch 1 pha N(1)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - đất, tại vị trí chiều dài 30km đường dây, với điện trở sự cố R = 5 Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.27 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố
Thời gian phát hiện sự cố của rơ le là 0,217s, thời gian đưa tín hiệu đi cắt 0,237s, thời gian dập tắt dòng sự cố là 0,251s (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b. Ngắn mạch 3 pha N(3)
Xét sự cố ngắn mạch giữa pha A - pha B - pha C, tại vị trí chiều dài 30km đường dây, với điện trở sự cố R = 5 Ω. Ta mô phỏng hệ thống trên với thời gian 0.5s, tại thời điểm 0,2s xảy ra ngắn mạch.
Hình 4.29 Sơ đồ tín hiệu các khối trước và sau sự cố ngắn mạch 3 pha
Thời gian rơ le phát hiện sự cố 0,214s, thời gian đưa tín hiệu cắt là 0,234s thời gian dập tắt dòng sự cố là 0,253s. Tín hiệu của chức năng bảo vệ quá dòng có hướng dự phòng, không tác động (do U > 0 ).
KẾT LUẬN
Luận văn mô phỏng bảo vệ quá dòng có hướng của rơ le kỹ thuật số dựa trên nền MATLAB/SIMULINK. Nguyên lý bảo vệ dòng điện có hướng và bảo vệ dòng điện có hướng thứ tự không là nguyên lý phổ biến để bảo vệ cho các đường dây truyền tải. Mô hình mô phỏng rơ le bảo vệ quá dòng có hướng được xây dựng bằng công cụ Simulink/simpowersystem.
Trong luận văn đã xây dựng được bảo vệ quá dòng có hướng với hai nguồn máy phát và bốn điểm sự cố trên đường dây để đánh giá độ chính xác và tin cậy của rơ le bảo vệ. Các sự cố ngắn mạch xảy ra trực tiếp trên đường dây đều được mô phỏng và cho kết quả đúng.
● Đối với điểm ngắn mạch nằm gần với máy cắt ở vị trí 0km trên đường dây, tại thời điểm xảy ra sự cố, đến thời điểm cắt máy cắt khi mô phỏng đều cho kết quả chính xác.
● Đối với các điểm ngắn mạch tại vị trí 0km trên đường dây ngược hướng