6. Bố cục của luận án
1.2.2 Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu ở tần số
1.2.2.1 Nội dung của phương pháp
Khoảng cách sự cố từ thanh cái đến điểm sự cố được tính toán theo phương pháp tổng trở sự cố ở tần số lưới thông qua giá trị đo lường dòng điện và điện áp của một, hoặc hai và ba đầu đường dây (sử dụng kênh truyền thông tin và thiết bị
động bộ thời gian) được đo bằng thiết bị như biến dòng (BI), biến điện áp (BU), role bảo vệ (RLBV) hoặc bộ đo lường đồng bộ góc pha (Phasor Measurement Unit
– PMU) đặt trên mỗi đầu đường dây. Các số liệu đo được sử dụng để phân tích thành phần thứ tự, xác định kiểu sự cố, pha sự cố và kết hợp phương trình toán học nhằm ước tính vị trí điểm sự cố [61], [85].
1.2.2.2 Các nghiên cứu chính đã được tiến hành
Phương pháp điện kháng đơn giản được đưa vào sử dụng đầu tiên cho hệ thống đường dây truyền tải điện đồng nhất được minh hoạ như hình 1.6, giả sử có sự cố tại điểm F, giá trị điện trở sự cố RF và dòng điện phụ tải không đáng kể [69].
Hình 1.6: Sơ đồ một sợi hệ thống điện đồng nhất
Điện áp đo trên rơle tại đầu A của đường dây truyền tải ở tần số định mức là:
UA = m.ZL.IA + RF.IF (1.1)
Trong đó:
m : Khoảng cách từ rơle đến điểm sự cố [km].
ZL : Tổng trở thứ tự thuận của đường dây được bảo vệ [Ω/km]. IA, IB: Dòng điện sự cố đo lường trên rơle đặt tại A và B [A]. RF : Điện trở sự cố [Ω].
IF = IA + IB: Dòng điện tại điểm sự cố [A].
IB (1 – m) IA m A B F ZL Rơle Rơle UB ZA RF ZB IF UA mZL (1-m)ZL IA IB
Từ công thức (1.1) ta có 4 tham số chưa biết là: m, góc pha và giá trị dòng sự cố IF, điện trở sự cố RF. Bằng cách thực hiện phép chia hai vế phương trình cho IA, ta có: Tổng trở sự cố đo tại A: A F F L A A FA I I R mZ I U Z
Lấy thành phần ảo của hai vế phương trình và giả sử ngắn mạch trực tiếp:
L A F F m L m A A m mX I I R I mZ I I U I ( ) ( ) ( )
Suy rakhoảng cách điểm sự cố:
L A A m X I U I m (1.2)
Công thức (1.2) tính toán khoảng cách điểm sự cố dựa trên tổng trở thứ tự thuận và phụ thuộc vào dạng sự cố của lưới điện. Bảng 1.1 liệt kê công thức tính toán tổng trở để xác định vị trí sự cố cho các dạng sự cố khác nhau. Giả sử có sự cố pha A chạm đất, ta có UA = Ua và IA = Ia + k.3.I0.
Bảng 1.1: Công thức tính tổng trở sự cố
Kiểu sự cố Tổng trở thứ tự thuận [mZL=] AN Ua (Ia k.3.I0) BN Ub (Ib k.3.I0) CN Uc (Ic k.3.I0) AB hoặc ABN Uab Iab BC hoặc BCN Ubc Ibc AC hoặc ACN Uac Iac ABC Uab Iab, Ubc Ibc,Uac Iac Trong đó: - k = (Z0L – Z1L)/3Z1L
- Z0L là tổng trở thứ tự không đường dây. - I0 là dòng điện thứ tự không.
Như vậy, sai số tính toán vị trí sự cố bằng 0 nếu góc pha IA IF hoặc RF = 0. Do đó, phương pháp trở kháng đơn giản, đủ chính xác cho nhiều ứng dụng bảo vệ rơle. Tuy nhiên, sai số sẽ tăng lên nếu ứng dụng cho hệ thống có nguồn cung cấp từ 2 hoặc 3 phía bởi vì IB ≠ 0 và IAIB, RF ≠ 0, tổng trở tải và góc tổng trở khác nhau (ZA ZB ZL). Dẫn đếnIF IA có thể mang tính cảm hoặc dung.
Từ năm 1950 đến nay, có thêm nhiều thuật toán mới được đề xuất với nhiều ưu điểm mới khắc phục được nhược điểm này. Tiêu biểu cho hướng nghiên cứu này phải kể đến công trình của các tác giả như Eriksson et al [76] sử dụng một mô hình lưới điện có nguồn cung cấp từ hai phía được đưa vào tính toán. Trở kháng nguồn và dòng điện phụ tải trước sự cố được sử dụng để bù điện kháng sự cố. Trong các thử nghiệm thực tế sự cố pha-pha và pha-đất, sai số vị trí sự cố tính toán nằm trong khoảng 3% chiều dài đường dây. Richards và Tan [100] sử dụng dữ liệu đo điện áp và dòng điện trên đường dây truyền tải có chiều dài 100 dặm để tính toán giá trị vị trí sự cố và điện trở sự cố (RF). Tại vị trí 50 dặm, sự cố một pha chạm đất có sai số 1% đối với RF < 30 Ω, và 6% khi RF = 100Ω. Sachdev và Agarwal [78] đưa ra phương pháp tính sử dụng điện áp và dòng điện thứ tự thuận. Kết quả mô phỏng định vị sự cố cho độ chính xác nhỏ hơn 5% chiều dài đường dây.
Năm 2004, J. Izykowski, E. Rosolowski, và M. Mohan Saha đề xuất phương pháp ước lượng vị trí sự cố cho các đường dây truyền tải song song bằng cách sử dụng các điện áp và dòng điện đo ở một đầu đường dây [63]. Trong đó, các tác giả đã nêu nội dung cơ bản cho tính toán vị trí sự cố và không sử dụng thành phần thứ tự không nên không bị ảnh hưởng bởi trở kháng nguồn hoặc điện trở sự cố.
Bên cạnh hướng tiếp cận đo dữ liệu tại một đầu đường dây, các công trình nghiên cứu của Jiang, Brahma, Girgis, Lee, Liao và Izykowski sử dụng dữ liệu đo lường dòng điện, điện áp đồng bộ hoặc không đồng bộ hai đầu hoặc ba đầu đường dây đường dây (hình 1.7) cho kết quả chính xác cao hơn một đầu đường dây khi điều kiện làm việc của hệ thống thay đổi, không cần biết thông số đường dây và cho phép xác định được điện trở sự cố [51].
Hình 1.7: Định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường tại hai đầu đường dây
Năm 1997, hai nhà nghiên cứu Hong và Colwell đã giới thiệu phương pháp tự động xác định kiểu sự cố hai đầu đường dây và tính toán vị trí sự cố đường dây dựa trên dữ liệu vận hành thời gian thực hoặc bản ghi off line phù hợp cho hệ thống truyền tải điện [56]. Tại đây, dữ liệu trước và tại thời điểm sự cố được sử dụng trên rơle bảo vệ, phần mềm lọc các thành phần tần số cơ bản sử dụng biến đổi Fourier nhanh. Việc xác định vị trí sự cố được giải quyết hoàn toàn bằng mô hình lưới ba pha và sử dụng 15 công thức để tìm vị trí sự cố. Sự cố pha chạm đất được tính toán bằng mô hình thành phần thứ tự nghịch, ảnh hưởng của hệ số tương hỗ đường dây, kết hợp thuật toán hai đầu đường dây với kỹ thuật công nghệ thông tin truyền thông và kỹ thuật toán học tiên tiến để xác định vị trí sự cố đường dây truyền tải.
Năm 2007, tác giả Maja Knezev xây dựng thuật toán lựa chọn phương pháp định vị sự cố tối ưu dựa trên các thuật toán định vị sự cố của các nghiên cứu trước đó về định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo tại một đầu, hai và ba đầu đường dây cho từng trường hợp cụ thể [82].
Ngoài ra, phương pháp định vị sự cố dựa trên các bộ PMU đã được đề xuất bởi các tác giả Jiang et al (2000); Chen et al (2002); Yu et al. (2002); Lin et al (2002), Saini et al (2012) và F. V. Lopes (2013) với sơ đồ cấu trúc mô tả ở hình 1.8. PMU có chức năng đo lường các đại lượng phức gồm độ lớn và góc pha của điện áp, dòng điện tại hai đầu đường dây trong cùng một thời gian được đồng bộ bằng GPS và truyền dữ liệu này đến bộ tập hợp dữ liệu (Phasor Date Concentrator –
PDC). Chức năng đặc trưng của PDC là tập hợp dữ liệu từ PMU, sắp xếp theo thời gian và tạo ra một bảng ghi các dữ liệu đo lường một cách đồng thời trong HTĐ theo thời gian thực, sau đó dữ liệu từ PDC được truyền về trung tâm điều khiển để phân tích, giám sát, điều khiển và sử dụng 4 phương pháp định vị sự cố cho đường dây 230kV có chiều dài 300km [48]. Nhờ hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System – GPS) đảm bảo mức độ chính xác và đồng bộ của các mẫu với sai số thời gian đồng bộ nhỏ hơn 1µs và sai số tuyệt đối góc pha nhỏ hơn 0.10 [69].
Hình 1.8a: Cấu trúc PMU thu thập dữ liệu dòng điện, điện áp
Hình 1.8b: Định vị sự cố sử dụng PMU
Công trình nghiên cứu khác của Brahma (2006) đề xuất phương pháp mới để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải có nguồn cung cấp từ nhiều phía bằng cách sử dụng dòng điện và điện áp đo lường đồng bộ từ tất cả các đầu đường dây bằng PMU. Các thành phần thứ tự thuận của dạng sóng trước, tại thời điểm sự cố và tổng trở thứ tự thuận được sử dụng để tạo thành ma trận tổng trở thanh cái thứ
Hệ thống điện U, I tại TBA B Mạch điều khiển tín hiệu Thu thập dữ liệu phasor Bộ chuyển đổi A/D U, I tại TBA A Thanh cái B Thanh cái A PMU Thành phần thứ tự Định vị sự cố Phương pháp II và IV Phương pháp I và III
tự thuận. Khó khăn áp dụng kỹ thuật này là PMU không được lắp đặt tại tất cả các đầu đường dây. Cho nên, để có thể định vị sự cố cho toàn bộ lưới điện cần phải xét đến bài toán tối ưu cho chi phí và số lượng tối thiểu PMU lắp đặt dựa trên lưới điện được đề xuất bởi Burnett et al (1994), Lien et al (2006), Wang et al (2007), S.Geramian et al (2008), K.Mazlumi et al (2008), và S.El Safty et al (2008) bằng phương pháp thuật toán di truyền. Cấp chính xác của thuật toán đề xuất không phụ thuộc vào các kiểu sự cố, điện trở sự cố và được thử nghiệm trên lưới điện truyền tải 230kV gồm 41 thanh cái tại Tehran [66], [67], [102], [103].
Trong thực tế, thông số đường dây được tính toán bằng tay hoặc phần mềm để sử dụng trong công thức tính toán vị trí sự cố. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của môi trường và điều kiện vận hành nên dẫn đến thông số tính toán sai khác so với các thông số đường dây thực tế. Do đó, các tác giả Lin et al (2004); Brahma and Girgis, (2004); Yu et al (2002); Jiang et al (2000) và F. Chunju et al (2007) đã đề xuất sử dụng giá trị dòng điện và điện áp đường dây đo được bằng PMU, để tính toán thông số đường dây trực tuyến như tổng trở đường dây, điện dung đường dây. Sau đó đưa vào công thức tính toán điểm sự cố với độ chính xác cao cho mô hình đường dây đơn, đường dây song song cũng như đường dây có nguồn cung cấp từ ba phía [47], [77]. Thuật toán tiến hành theo hai bước: đầu tiên là xác định đường dây bị sự cố và sau đó là tính toán vị trí sự cố trên đường dây. Kết quả mô phỏng bằng EMTP, cũng như thử nghiệm bằng dữ liệu thực tế cho thấy cấp chính xác định vị sự cố không ảnh hưởng bởi các hệ số như chế độ vận hành, điện trở sự cố, kiểu sự cố, tải trước sự cố và khoảng cách sự cố.
Ngày nay, hướng nghiên cứu dựa trên phân tích tín hiệu ở tần số cơ bản đã và đang được các hãng sản xuất BVRL nổi tiếng như ABB, SIEMENS, SEL, AREVA, GE, TOSHIBA… ứng dụng trên thiết bị của mình nhằm phục vụ công tác phân loại và định vị điểm sự cố. Tuy nhiên, cấp chính xác dòng điện đo lường phụ thuộc vào cấp chính xác của BI sử dụng. Đặc biệt là trong trường hợp BI bị bão hoà do dòng ngắn mạch có giá trị lớn làm cho dạng sóng dòng điện nhị thứ bị méo dạng dẫn đến
dòng nhị thứ của BI không hiển thị chính xác giá trị dòng nhất thứ. Do đó, BVRL hiển thị sai giá trị khoảng cách sự cố.
Vì vậy các nhà nghiên cứu và hãng sản xuất thiết bị đã đưa ra một số biện pháp nhằm khắc phục chế độ BI bị từ hoá. Vào năm 2004, M. Saha, J. Izykowski, E. Rosolowski sử dụng thuật toán sử dụng giá trị điện áp của hai đầu đường dây và dòng điện tại đầu BI không bị bão hoà. Tuy nhiên giải thuật này không phải luôn luôn đúng vì có thể BI tại đầu đường dây đặt FLS bị bão hoà [79]. Do đó, các tác giả C. de Morais Pereira, và L. Zanetta Jr (2004) đã đưa ra giải pháp cho phép sử dụng điện áp một đầu đường dây tại thời điểm sự cố và giá trị dòng điện trước thời điểm sự cố (khi BI chưa bị bão hoà) nhằm giảm thiểu sai số định vị sự cố gây ra bởi từ hoá BI [36]. Hơn nữa, tác giả Abdullah Assuhaimi Mohd Zin (2009) phát triển thuật toán bù dòng điện cho RLBV khoảng cách khi xảy ra hiện tượng bão hoà BI [25].
Theo hướng giải quyết khác, các nhà nghiên cứu Brahma SM, Girgis AA (2004) đề xuất phương pháp định vị sự cố chỉ sử dụng tín hiệu điện áp đo lường đồng bộ tại hai đầu đường dây nên không bị ảnh hưởng bởi sai số BI [35]. Hãng ABB, AREVA đề xuất sử dụng thiết bị BI không truyền thống (Non Conventional Instrument Transformer - NCIT) để loại trừ hiện tượng bão hoà [39].
1.2.2.3 Nhận xét và đánh giá
Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu dòng điện, điện áp đo tại một đầu đường dây trong hướng nghiên cứu này có ưu điểm là phù hợp với hầu hết điều kiện lưới điện và công nghệ sản xuất rơle bảo vệ hiện nay nên đang được áp dụng ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, do công thức được xây dựng trên mô hình lưới điện đồng nhất nên phương pháp có nhược điểm là cấp chính xác bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: Ảnh hưởng hỗn hợp của dòng điện phụ tải và điện trở sự cố, giá trị này có thể cao khi sự cố chạm đất; Độ chính xác của thông số đường dây cài đặt trên rơle; Sai số đo lường....
Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo từ hai hoặc ba đầu đường dây cho kết quả chính xác hơn phương pháp tổng trở dựa trên tín hiệu đo tại một đầu đường dây [16]; Hạn chế của phương pháp này là chi phí đầu tư thiết bị cao, tín
hiệu đo nhiều và cần được thực hiện đồng bộ. Tuy nhiên, trong tương lai gần, khi thiết bị điều khiển, giám sát từ xa SCADA đã và đang được lắp đặt trong hệ thống điện phát huy đầy đủ chức năng thì việc áp dụng phương pháp này sẽ hiệu quả hơn nhờ khả năng mạnh trong chia sẻ thông tin.