6. Bố cục của luận án
3.5.4 Đánh giá phương pháp định vị sự cố
Để đánh giá 3 phương pháp ta sử dụng mô hình hệ thống điện 110kV hình T có độ dài 120km (đoạn 1), 70km (đoạn 2), 50km (đoạn 3) kết nối nguồn ở ba đầu được mô phỏng bằng Matlab Simulink như hình 3.27. Các tham số đường dây:
- R1 = 0.1286 (Ω/km), R0 = 0.2409 (Ω/km). - L1 = 0.0013 (H/km), L0 = 0.0035 (H/km). - C1 = 13e-9 (F/km), C0 = 8.5e-9 (F/km).
Hình 3.27: Mô hình đường dây 110kV có nguồn cung cấp từ 3 phía
Với 10 loại sự cố, vị trí và điện trở sự cố khác nhau được mô phỏng trên cả ba phân đoạn AT, BT và CT. Trong đó, xét hai trường hợp: điện trở sự cố RF = 1Ω biểu thị kết quả sai số bằng thanh bar màu đậm của, RF = 50Ω biểu thị kết quả sai số bằng thanh bar màu nhạt và cho kết quả trình bày chi tiết trong phụ lục 3.11 như sau:
- Phương pháp Clarke mở rộng của rơle GE L90 có sai số lớn nhất 10.7% khi xảy ra sự cố BCN với RF = 50Ω trên đoạn CT và sai số nhỏ nhất là 0.03 khi có sự cố AC với RF = 50Ω trên đoạn AT.
- Phương pháp định vị sự cố rơle SEL 311L sử dụng dữ liệu đo không đồng bộ có sai số lớn nhất 15.8% khi xảy ra sự cố ABC với RF = 50Ω trên đoạn BT và sai số nhỏ nhất là 0.1 khi có sự cố AC với RF = 1Ω trên đoạn AT.
- Phương pháp định vị sự cố rơle TOSHIBA GRL 100 sử dụng dữ liệu đo đồng bộ có sai số lớn nhất 5.24% khi xảy ra sự cố AN với RF = 50Ω trên đoạn CT và sai số nhỏ nhất là 0.008 khi có sự cố AB với RF = 1Ω trên đoạn AT.
3.5.5 Nhận xét và đánh giá
Từ kết quả phân tích các phương pháp định vị sự cố của hãng sản xuất rơle SEL, TOSHIBA và GE, sử dụng cho sơ đồ đường dây truyền tải có nguồn cung cấp từ ba phía (gồm có ba đoạn đường dây) cho thấy:
- Các phương pháp định vị sự cố đều sử dụng dữ liệu đo lường dòng điện và điện áp ở tần số định mức trên rơle lắp đặt tại cả ba đầu đường dây để tính toán vị trí điểm sự cố. Khi có sự cố xuất hiện trên một trong ba đoạn đường dây, đầu tiên thuật toán chọn đoạn đường dây bị sự cố và sau đó thực hiện ba phép tính điểm sự cố độc lập trên rơle của ba đoạn đường dây, cho kết quả giống nhau.
- Kết quả phép tính với thời gian thực, không bị ảnh hưởng bởi hệ số hỗ cảm cho đường dây song song. Trong đó, hãng SEL có sai số lớn nhất và TOSHIBA có sai số nhỏ nhất hay nói cách khác là các phương pháp luôn tồn tại sai số tính toán nên cần được nghiên cứu hơn nữa để cải thiện cấp chính xác của phép tính.
3.6 KẾT LUẬN
Hiện nay chức năng định vị sự cố được áp dụng phổ biến trên RLBV của các hãng sản xuất lớn (ABB, SIEMENS, SEL, AREVA, GE và TOSHIBA), và các hãng chỉ đưa ra các giải thuật chung, ít có so sánh kết quả tốt và chưa tốt giữa các giải thuật của các hãng sản xuất khác nhau nên rất khó kiểm chứng và so sánh. Do
đó, việc phân tích và đánh giá các phương pháp định vị sự cố khác nhau được luận án thực hiện nhằm đưa ra một số kiến nghị để áp dụng phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường từ một, hai, ba phía vào thực tế áp dụng RLBV trên lưới điện Việt Nam có hiệu quả, phù hợp với thực tiễn.
Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường đồng bộ hoặc không đồng bộ tại hai hoặc ba đầu đường dây chỉ được thực hiện trong điều kiện hoàn thiện hệ thống thông tin quản lý phục vụ công tác đo lường thu thập số liệu về lưới điện tại Trung tâm thao tác, qua đó dễ dàng kiểm tra hoạt động của hệ thống RLBV. Tuy nhiên, các giao thức truyền thông sử dụng trong việc giám sát, điều khiển xa TBA phổ biến như: Modbus, DNP3, UCA và IEC 60870-5-103... được cung cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau, cho nên RLBV của các hãng không thể trao đổi, sử dụng thông tin lẫn nhau, đồng thời hạn chế việc tốc độ xử lý thông tin. Thêm vào đó, vấn đề nhiễu và suy giảm tín hiệu lúc thực hiện truyền dẫn dữ liệu giữa các RLBV với nhau và giữa RLBV với Trung tâm thao tác dẫn đến việc không khai thác được nhiều chức năng như: truy cập và cài đặt các thông số rơle từ Trung tâm thao tác; đọc từ xa các thông số đo lường từ rơle (IEDs); không ghi nhận được dòng, áp sự cố thông qua rơle tại Trung tâm thao tác. Kết quả là việc phát triển ứng dụng hai phương pháp này gặp nhiều khó khăn. Do đó, trong tương lai gần khi giao thức truyền thông IEC 61850 được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá TBA thì việc thu thập dữ liệu sự cố rơle tại Trung tâm thao tác sẽ dễ dàng hơn, hai phương pháp định vị sự cố này mới được sử dụng hiệu quả.
Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường một đầu đường dây được áp dụng phổ biến tại các TBA truyền thống ở Việt Nam nhưng hầu hết chỉ tập trung vào việc giải quyết các vấn đề cục bộ ở từng đầu đường dây, có sai số lớn do bị ảnh hưởng bởi các giá trị tính toán thông số đường dây, sai số BU, BI và điện trở sự cố… nên giá trị vị trí sự cố hiển thị sai khác so với vị trí thực tế. Điều này đòi hỏi chúng ta cần phải có phương pháp mới nhằm giải quyết triệt để vấn đề này. Chương tiếp theo của luận án trình bày phương pháp phân loại và định vị sự cố, được xây dựng dựa trên hệ thống thông minh sử dụng dữ liệu dòng điện, điện áp ghi trên RLBV và vị trí sự cố thực tế lưới truyền tải để giải quyết các bài toán đặt ra có hiệu quả nhất.
CHƯƠNG 4
SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ĐỂ PHÂN LOẠI DẠNG SỰ CỐ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
4.1 MỞ ĐẦU
Để phân loại sự cố, thông thường RLBV sử dụng trị số hiệu dụng, trị số tuyệt đối hoặc trị số tức thời của đại lượng đầu vào (dòng điện, điện áp, góc pha giữa dòng và áp…) và so sánh với ngưỡng tác động (trị số chỉnh định) của rơle. Nếu đại lượng đầu vào biến thiên vượt quá (ví dụ đối với rơle quá dòng) hoặc thấp hơn (ví dụ đối với rơle kém áp) ngưỡng chỉnh định thì rơle sẽ tác động và hiển thị dạng sự cố [11]. Sơ đồ thuật toán xác định dạng sự cố trên lưới điện theo phương pháp truyền thống thể hiện trên hình 4.1 [115], bằng cách đo lường dòng điện các pha (A, B và C) trên đường dây khi bị sự cố và so sánh chúng với dòng điện cài đặt trên rơle (Ir). Nếu một hoặc nhiều dòng điện pha vượt quá ngưỡng Ir thì phát hiện sự cố pha. Nếu giá trị dòng thứ tự không I0 lớn hơn ngưỡng Itg thì là sự cố 1 hoặc 2 pha chạm đất.
Tuy nhiên, đối với rơle quá dòng thì hiện tượng quá dòng điện có thể xảy ra khi ngắn mạch hoặc do quá tải. Do vậy, để phân biệt được hai tình huống này nên cần có biện pháp khác kết hợp (kiểm tra thêm thông số điện áp, sử dụng bộ lọc thành phần thứ tự dòng điện LI2 hoặc điện áp LU2) để xác định loại ngắn mạch. Thông thường tại các khu công nghiệp lớn, điều độ điện lực thường dùng thêm chức năng quá tải lạnh sử dụng tiếp điểm trạng thái MC mở (52a), ngưỡng Cold Load PU để làm trễ thời gian tác động của rơle (tCL) khi đóng điện vào phụ tải lớn [84].
Ngày nay các kỹ thuật AI được nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống điện ngày càng nhiều, phổ biến là hệ chuyên gia, hệ mờ, mạng nơ ron (ANN)….nhằm giải quyết bài toán có tính phức tạp cao, bất định, cấu trúc hệ thống thay đổi thay cho các phương pháp toán học truyền thống có kết quả đầu ra với sai số lớn [10]. Do đó, luận án nghiên cứu và đề xuất sử dụng các phương pháp thông minh để thay thế bộ
não con người trong việc ra quyết định, học các chức năng mới trên cơ sở sử dụng riêng rẽ kỹ thuật thông minh (hệ mờ, wavelet, mạng nơ ron nhân tạo) hoặc hệ lai Anfis cho bài toán phân loại và định vị sự cố.
Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán xác định dạng sự cố
Hệ thống có thực sự thông minh hay không, mức độ thông minh đến đâu hoàn toàn phụ thuộc vào mức độ sáng tạo của người vận dụng các kỹ thuật nêu trên trong thực tế và sẽ được trình bày chi tiết ở các mục dưới đây.
4.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI DẠNG SỰ CỐ TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ 4.2.1 Thuật toán phân loại dạng sự cố trên cơ sở hệ mờ
Phương pháp tính toán thành phần đối xứng được phát triển bởi Charles Legeyt Fortescue vào năm 1918 để xác định các thông số sự cố trên đường dây 3
Có Không Không Có Có Không Không Có Không Có Không Có BN Có BC BCN Có Không AC ACN AN Có Không AB ABN Có ABC Không Không
Không sự cố CN |Iamr|>|Ir| |Ibmr|>|Ir| |Icmr|>|Ir| |Icmr|>|Ir| |Ibmr|>|Ir| |Icmr|>|Ir| |Icmr|>|Ir| |Iomr|>|Itg| |Iomr|>|Itg| |Iomr|>|Itg| Bắt đầu
pha dựa trên việc phân tích các tín hiệu dòng điện và điện áp đo được ở đầu đường dây. Hiện nay, phương pháp này được sử dụng trong hầu hết các rơle kỹ thuật số để đo lường và bảo vệ đường dây khi ngắn mạch không đối xứng cũng như mọi chế độ làm việc với ba pha không đối xứng (xem phụ lục 4.1). Vấn đề này được giải quyết bằng cách phân tích các thành phần bất đối xứng của hệ thống 3 pha (dòng điện hoặc điện áp) thành 3 thành phần đối xứng là thành phần TTT, TTN và TTK [64], [115], [126].
Từ cơ sở lý thuyết này, các giá trị dòng điện thứ tự I0, I1, I2 trên đường dây khi bị sự cố được chọn để tính toán góc lệch pha của γ0,γ1, γ2 cũng như tỷ số độ lớn dòng điện TTT, TTK và TTN theo công thức:
0 2 1 2 và 2 0 02 1 2 21 I I R I I R (4.1) và cho kết quả trình bày tại bảng 4.1 với 10 kiểu sự cố.
Bảng 4.1: Kết quả α, β, R21, R02 tương ứng 10 kiểu sự cố
Kiểu sự cố α β R21 = I2/I1 R02 = I0/I2
AN 0 0 1 1 BN 120 240 1 1 CN 240 120 1 1 AB 60 - 1 0 BC 180 - 1 0 AC 300 - 1 0 ABN 60 120 0.533 0.8793 BCN 180 0 0.533 0.8793 ACN 300 240 0.533 0.8793 ABC - - 0 0 Trong đó: I0, I1, I2: dòng điện TTK, TTT, TTN.
Ở trạng thái làm việc bình thường (không có ngắn mạch), giá trị dòng điện TTK và TTN không đáng kể (= 0). Do đó, γ0 và γ2 không xác định được. Để tránh sai số, các góc trên được tính toán nếu giá trị I1 và I0 ≠ 0.
Tiếp theo, tiến hành xây dựng cấu trúc hệ mờ gồm có 4 đầu vào (tương ứng với bốn hệ số α, β, R21, và R02 thay vì 8 hệ số của [70]), 1 đầu ra và 10 luật, được mô hình hoá theo các bước sau:
Bước 1: Xác định biến ngôn ngữ
Có 5 biến ngôn ngữ được xác định như sau:
1. Với biến ngôn ngữ α được chia làm 6 mức có các tập mờ (AN, BN, CN, AB- ABN, BC-BCN, AC-ACN)
2. Với biến ngôn ngữ β được chia làm 3 mức có các tập mờ (AN-BCN, BN- ACN, CN-ABN).
3. Với biến ngôn ngữ R21 được chia làm 2 mức có các tập mờ (thấp, cao) 4. Với biến ngôn ngữ R02 được chia làm 2 mức có các tập mờ (thấp, cao).
5. Với biến ngôn ngữ kiểu sự cố được chia làm 10 mức có các tập mờ (AN, BN, CN, AB, ABN, BC, BCN, AC, ACN, ABC)
Bảng 4.2: Quan hệ giữa các biến ngôn ngữ
IF THEN
α β R21 = I2/I1 R02 = I0/I2 Kiểu sự cố
AN AN-BCN High High AN
BN BN-ACN High High BN
CN CN-ABN High High CN
AB-ABN - High Low AB
BC-BCN - High Low BC
AC-ACN - High Low AC
AB-ABN CN-ABN High High ABN
BC-BCN AN-BCN High High BCN
AC-ACN BN-ACN High High ACN
Bước 2: Xác định hàm thuộc của các biến ngôn ngữ (MF – Membership Function) Hàm thuộc của độ lệch α:
-60 < x ≤ 60: AN 60< x ≤ 180: BN 180< x ≤ 300: CN 0 < x ≤ 120: AB-ABN 120< x ≤ 240: BC-BCN 240< x ≤ 360: AC-ACN Hàm thuộc của độ lệch β:
-120 < x ≤ 120: AN-BCN 120< x ≤ 360: BN-ACN 0< x ≤ 240: CN-ABN
Hàm thuộc của kiểu sự cố: 2.5 < u ≤ 3.5: CN 4.5< u ≤ 5.5: BN 5.5< u ≤ 6.5: BN 6.5 < u ≤ 7.5: BCN 8.5< u ≤ 9.5: AN 9.5< u ≤ 10.5: AC 10.5< u ≤ 11.5: ACN 11.5< u ≤ 12.5: AB 12.5< u ≤ 13.5: ABN 14.5< u ≤ 15.5: ABC Hàm thuộc của tỷ số R21 [70]:
0 < x ≤ 0.22: Thấp (L) 0.22 < x ≤ 1.2: Cao (H)
Hàm thuộc của tỷ số R02 [70]: 0 < x ≤ 0.1: Thấp (L) 0.1< x ≤ 1.2: Cao (H)
Đầu ra có giá trị nằm trong khoảng từ 2 đến 15 tương ứng với các kiểu sự cố khác nhau. Vì vậy miền giá trị của các MF đầu ra được định nghĩa là các miền đứng độc lập, không giao nhau.
Bước 3: Xác định các luật mờ
Từ các biến ngôn ngữ trên, ta tiến hành xây dựng tập luật mờ IF – THEN cho từng dạng sự cố như bảng 4.2. Một luật bao gồm hai phần: phần điều kiện (IF) và phần kết quả (THEN). Phần điều kiện có thể gồm nhiều điều kiện (các yếu tố đầu vào như hệ số α, β, R21, và R02), kết hợp với nhau bằng các liên từ AND, OR, NOT...
Bước 4: Chọn phương pháp suy diễn mờ và giải mờ
Giải mờ là việc tạo ra giá trị biến cứng ở ngõ ra tương ứng với giá trị biến cứng ở ngõ vào. Luận án chọn giải mờ theo phương pháp trọng tâm (centroid) để tính được giá trị ngõ ra.
4.2.2 Đánh giá phương pháp phân loại dạng sự cố trên cơ sở hệ mờ
Các nội dung được trình bày tại mục 4.2.1 là cơ sở để ta xây dựng thuật toán phân loại dạng sự cố lưới điện (hình 4.2), sử dụng hệ mờ (Fuzzy logic) thông qua chương trình Matlab Simulink gồm có: Nhà máy thuỷ điện A Vương với công suất 2x105MW được kết nối vào thanh góp 220kV tại trạm 500kV Thạnh Mỹ và truyền tải đến TBA 220kV Hòa Khánh qua đường dây 220kV.
Hình 4.2: Mô hình hệ thống điện
Bảng 4.3: Thông số hệ thống mô phỏng ngày 16/07/2012
Thông số nguồn
Công suất [MW] 105
Tổng trở thứ tự thuận [Ω] 0.0289 + j0.0008102
Tần số [Hz] 50
Thông số đường dây
Chiều dài [km] 50.18
Điện áp [kV] 220
Tổng trở thứ tự thuận [Ω/km] 0.07 + j0.397 Tổng trở thứ tự không [Ω/km] 0.21637 + j1.3944 Điện dung thứ tự thuận [nF/km] 13
Thông số tải
Công suất P [MVA] 96.04
Công suất Q [MVAr] 34.65
Các sự cố thực hiện trong quá trình mô phỏng được thực hiện như sau: - Kiểu sự cố được giả lập là 10 loại gồm có sự cố pha – đất, hai pha – đất, pha –
pha và 3 pha. Ví dụ trường hợp mô phỏng sự cố pha A cho kết quả như hình 4.3.
a. Dạng sóng điện áp b. Dạng sóng dòng điện
c. Góc α d. Góc β
e. R21 f. R02
Hình 4.3: Sự cố pha A chạm đất
- Vị trí sự cố xảy ra thay đổi từ 0.2L, 0.4L, 0.6L, 0.8L chiều dài đường dây. - Điện trở sự cố có giá trị 0Ω, 50Ω, 100Ω hoặc 200Ω.
Như vậy, ta có 10 (kiểu sự cố) x 4 (vị trí sự cố) x 4 (điện trở sự cố) = 160 trường hợp mô phỏng khác nhau để nghiên cứu.
Nhằm hỗ trợ việc thiết kế một bộ điều khiển mờ có cấu trúc như hình 4.4, luận án sử dụng bộ công cụ Fuzzy Logic Toolbox với giao diện đồ họa GUI tools của Matlab [121] bao gồm các thành phần được trình bày trên hình 4.5 đến 4.11.
Hình 4.4: Cấu trúc hệ mờ xác định kiểu sự cố
Hình 4.5: Biến đầu vào α Hình 4.6: Biến đầu vào β