3.1 Các giải pháp tăng cường hệ thống bảo vệ và tự động hóa
3.2.1 Các biện pháp phát hiện dao động điện
Khi xảy ra những biến động lớn về công suất trong hệ thống, các vectơ sức điện động có thể có tốc độ quay khác nhau và khác với tốc độ đồng bộ gây nên hiện tượng dao động của dòng điện và điện áp trong hệ thống. Chính những dao động này là một trong những mầm mống gây nên sự cố trong hệ thống và muốn có những
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 66 tác động để ngăn chặn và giảm thiểu sự phát triển của các dao động này, đòi hỏi chúng ta phải tìm hiểu và đưa ra những biện pháp cụ thể:
3.2.1.1 Vấn đề cơ bản về phát hiện dao động của hệ thống điện
Các sự cố trong hệ thống, chuyển mạch đường dây, tách máy phát điện, và việc mất hoặc đóng thêm vào các khối phụ tải lớn gây ra các biến động đột ngột đối với công suất điện mà ở đó công suất cơ đầu vào của máy phát điện vẫn đang duy trì. Các kích động này gây ra các dao động công suất nghiêm trọng. Dao động công suất là sự biến động về trào lưu công suất xảy ra khi điện áp trong của các MPĐ tại các vị trí khác nhau trong hệ thống điện trượt so với nhau. Các dao động công suất lớn (ổn định hoặc mất ổn định) có thể làm cho rơle tác động ngoài mong muốn tại các vị trí khác nhau trong hệ thống làm trầm trọng thêm kích động hệ thống và gây ra cắt điện trên diện rộng hoặc tan rã hệ thống.
Sự tác động của các rơle này trong khi diễn ra dao động điện có thể gây ra cắt ngoài mong muốn các đường dây truyền tải hoặc các phần tử khác của HTĐ làm yếu HTĐ và có thể dẫn đến mất điện dây chuyền ngoài kiểm soát. Các rơle khoảng cách và các rơle khác không được cắt ngoài chủ định trong các chế độ động như dao động điện để cho phép hệ thống trở về chế độ làm việc ổn định. Để ngăn chặn việc chia tách hệ thống một cách ngẫu nhiên, thì chúng ta sẽ sử dụng các rơle hiện đại có chức năng PSB nhằm ngăn chặn sự tác động ngoài mong muốn của rơle khoảng cách trong khi diễn ra dao động điện. Mục đích của chức năng PSB là phân biệt giữa sự cố với dao động điện để cấm các phần tử khoảng cách và các rơle khác tác động trong khi diễn ra dao động điện.
Khi sự cố mất đồng bộ giữa một nhóm MPĐ hay hai HTĐ (HTĐ 1 và HTĐ 2) được đồng bộ hóa, thì việc tách hai hệ thống khỏi nhau nhanh chóng một cách tự động là một giải pháp tối ưu để ngăn chặn hư hỏng thiết bị và mất điện trên diện rộng xảy ra. Nhưng trong thực tế thì khi tách hai HTĐ hợp nhất ra thì thường là không thể cân bằng nguồn tải mong muốn. Nên những hệ thống không cân bằng được nguồn tải (tải lớn) thì phải thực hiện sa thải phụ tải để trách sự cố mất điện trên diện rộng xảy ra. Trong quá trình vận hành thì việc cắt không có điều khiển các máy cắt trong chế độ phi đồng bộ này có thể dẫn tới hư hỏng thiết bị, nguy hiểm cho nhân viên và góp phần gây mất điện dây chuyền trong HTĐ. Nên việc cắt cần phải có kiểm soat các phần tử cụ thể của hệ thống nhằm ngăn chặn việc phá hủy thiết bị, mất điện trên diện rộng và giảm thiểu các sự xuất hiện các dao động trong hệ thống. Một giải pháp được đề xuất áp dụng là sử dụng chức năng OST để thực hiện việc chia tách, mục đích chính của chức năng này là phân biệt dao động ổn
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 67 định với dao động điện mất ổn định (dao động phi đồng bộ), thực hiện chia tác hệ thống tại các điểm quy định và ở chế độ lệch pha điện áp nguồn thích hợp giữa các hệ thống nhằm duy trì độ ổn định của hệ thống và tính liên tục hoạt động.
3.2.1.2 Tính toán tổng trở liên tục
Biện pháp này xác định chế độ dao động điện dựa trên cơ sở tình toán tổng trở liên tục (hình 3-2). Tính liên tục ở đây theo nghĩa: chẳng hạn cứ 1 bước 5ms lại tiến hành tính toán tổng trở một lần và so sánh với lần tính toán tổng trở 5ms trước đó. Ngay khi xuất hiện sự chênh lệch thì tình huống mất đồng bộ được giả định nhưng chưa được chứng minh. Tổng trở tiếp theo được tính 5ms sau đó được dự đoán dựa trên độ chênh lệch tổng trở của các lần đó trước. Nếu dự đoán là đúng thì chứng tỏ đó là tổng trở dịch chuyển và khi đó chế độ dao động điện được phát hiện.
Đồng thời việc cài đặt ∆t là không cần nữa bởi vì nó được xác định bằng các chu kỳ tính toán của thuật toán [1].
Ngay khi véctơ tổng trở biến đổi không tiếp cận vùng cắt nhanh hơn rơle có thể xác nhận chế độ mất đồng bộ việc phát hiện sẽ thành công.
Hình 3- 2: Phát hiện dao động điện bằng cách tính toán liên tục tổng trở 3.2.1.3 Điện áp tâm dao động và tốc độ biến thiên của điện áp tâm dao động
Khi xảy ra những biến động lớn về công suất trong hệ thống, các véctơ sức điện động có thể có tốc độ quay khác nhau và khác với tốc độ đồng bộ gây nên hiện tượng dao động của dòng điện và điện áp trong hệ thống và những dao động này có thể được xác định. Nếu ta xét trường hợp hệ thống điện có 2 nguồn, chúng ta sẽ có thể xác định như sau:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 68
Hình 3- 3: Sơ đồ véctơ của hệ thống hai nguồn
Điện áp tâm dao động VPSC được định nghĩa là điện áp tại vị trí của hệ thống 2 nguồn đẳng trị ở đó trị số điện áp bằng 0 khi góc pha giữa 2 nguồn lệch nhau 1800 . Khi hệ thống 2 nguồn mất ổn định và chuyển dịch sang tình huống mất đồng bộ sau một số kích động thì độ lệch pha giữa 2 nguồn δ(t) sẽ tăng lên dưới dạng hàm thời gian. Hình 3 - 3 minh họa sơ đồ véctơ của hệ thống 2 nguồn nói chung với VPSC là véctơ từ gốc O tới điển O’.
Một xấp xỉ của VPSC có thể đạt được qua việc sử dụng các thông số cục bộ có sẵn như sau:
VPSC ≈ VS .cosϕ (3-1) Trong đó: VS là biên độ điện áp được đo cục bộ, còn ϕ là độ lệch pha giữa VS và dòng điện cực bộ như trên hình 3 - 3. Ở trên hình 3 - 4 chúng ta có thể thấy Vcosφ là hình chiếu trên trục dòng điện 1. Một hệ thống đồng nhất có góc tổng trở hệ thống
θ gần 900 thì Vcosϕ ≈VPSC. Đối với việc phát hiện dao động điện thì tốc độ biến thiên VPSC là thông tin chính về các dao động điện. Bởi vậy, độ lệch nhỏ biên độ giữa VPSC của hệ thống với trị số cục bộ ước tính của nó hầu như không ảnh hưởng tới việc phát hiện dao động điện bằng thông số Vcosφ.
Hình 3- 4: Vcosφ là hình chiếu của Vs trên I
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 69 Từ biểu thức (3-1) và lưu ý rằng việc ước tính VPSC cục bộ sử dụng biên độ điện áp cục bộ thì quan hệ giữa VPSC với độ lệch pha δ giữa các véctơ điện áp 2 nguồn có thể được xác định đơn giản như sau:
VPSCI =
cos 2
1.
E δ (3-2) Trong biểu thức (3-2), E1 là biên độ điện áp thứ tự thuận nguồn bằng với ES
(giả thiết ES = ER): VPSCI biểu thị cho điện áp thứ tự thuận tại tâm dao động trong phương pháp phát hiện dao động điện tại tâm dao động có đặc điểm là biên độ trơn trong chế độ dao động điện phi đồng bộ. Trị tuyệt đối của VPSC đạt được cực đại khi δ = 0 và đạt cực tiểu (bằng 0) khi δ = 1800. Đặc điểm này đã được khai thác để phát hiện dao động điện nhờ theo dõi tốc độ biến thiên điện áp tại tâm dao động.
Đạo hàm theo thời gian của VPSCI sẽ là:
(3-3) Biểu thức (3-3) biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ biến thiên VPSC và tần số trượt của hệ thống 2 nguồn . Lưu ý rằng đạo hàm của VPSC không phụ thuộc các tổng trở của hệ thống: khi δ =0 thì tốc độ biến thiên VPSC cũng bằng 0; trị số cực đại của đạo hàm VPSC xảy ra khi δ =1800. Đối với việc phát hiện các dao động điện, phương pháp VPSC có những ưu điểm sau:
- VPSC không phụ thuộc nguồn và tổng trở của đường dây. Ngược lại, các thống số khác như: điện trở và tốc độ biến thiên của điện trở; công suất tác dụng và tốc độ biến thiên công suất tác dụng phụ thuộc vào tổng nguồn và đường dây cũng như các thông số khác của hệ thống.
- VPSC được giới hạn bởi cận dưới là 0 và cận trên là 1 pu bất kể các thông số tổng trở của hệ thống. Điều này khác hẳn so với các đại lượng điện khác như tổng trở, dòng điện, công suất (tác dụng và phản kháng) mà các giới hạn của chúng phụ thuộc vào rất nhiều thống số hệ thống.
- Biên độ của VPSC liện hệ trực tiếp tới δ . Ví dụ, nếu biên độ VPSC đo được bằng một nửa điện áp danh định thì δ =1200 với giả thiết biên độ điện áp các nguồn bằng nhau và hệ thống điện thống nhất.
3.2.1.4 Các vấn đề về cài đặt cho các phần tử tổng trở đồng tâm và các phương thức dựa vào đường chắn
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 70 Trong phần này chúng ta đề cập đến vấn đề về việc áp dụng và cài đặt cho các chức năng bảo vệ PSB và OST truyền thống. Để đảm bảo có đủ thời gian thực hiện khoa các phần tử khoảng cách sau khi phát hiện dao động điện thì phần tử tổng trở PSB phía trong phải được đặt bên ngoài đặc tuyến lớn nhất của bảo vệ khoảng cách muốn khóa. Ngoài ra, phần tử tổng trở PSB phái ngoài phải đặt tách khỏi vùng phụ tải nhằm ngăn chặn sự tác động của lôgíc PSB do các phụ tải quá lớn dẫn đến khóa không đúng các phần cắt Mho đường dây.
Trong nhiều ứng dụng, rất khó đáp ứng các yêu cầu trên bởi sự phụ thuộc vào các biên độ tương đối của tổng trở đường dây và nguồn. Hình 3-5 biểu thị về một đường dây liên kết hai nguồn điện trong mặt phẳng phức với quỹ đạo dao động chia đôi tổng trở toàn phần: Hình 3-5(a) mô tả hệ thống có tổng trở đường dây lớn hơn so với các tổng trở hệ thống, còn hình 3-6(b) mô tả hệ thống có tổng trở đường dây nhỏ hơn nhiều so với các tổng trở hệ thống.
Hình 3- 5: Ảnh hưởng của tổng trở nguồn và đường dây đối với chức năng PSB Quan sát trên hình 3-5(a) thấy quỹ đạo dao động có thể chạy vào các đặc tuyến Vùng 2 (Zone 2) và Vùng 1 (Zone 1) trước khi độ lệch pha giữa các điện áp nguồn đạt tới 1200, tức là ngay cả trong khi điện ra dao động điện ổn định – chế độ mà hệ thống có thể khôi phục. Đối với hệ thống này, sẽ khó cài đặt các phần tử tổng trở phía trong và phía ngoài cho PSB, đặc biệt với đường dây mang tải nặng bởi vì các thông số cài đặt cho PSB cần phải đủ lớn để không thể làm khóa sai do tổng trở phụ tải. Để tránh khóa sai do phụ tải, các đặc tuyến thấu kính hoặc có đường chắn nhằm giới hạn vùng cắt của các phần tử Mho đẵ từng được ứng dụng. Các rơle số hiện đại có các phần tử chống sự lấn vùng của phụ tải chuyên dụng nhằm ứng phó với các vấn đề mang tải. Hệ thống ở hình 3-5(b) trở lên mất ổn định trước khi quỹ đạo dao động chạy vào các đường đặc tuyến Vùng 2 và Vùng 1 nên khá dễ cài đặt các phần tử tổng trở phía trong và phía ngoài cho PSB
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 71 Một khó khăn khác đối với các phương thức PSB truyền thống là sự tách biệt giữa việc cài đặt các phần tử tổng trở và thời gian cho PSB nhằm phân biệt sự cố với dao động điện. Không dễ tính toán các thông số cài đặt này và tùy thuộc vào hệ thống khảo sát mà có thể cần thực hiện các nghiên cứu mở rộng để xác định dao động điện nhanh nhất và các cài đặt phù hợp cho PSB.
Tốc độ trượt giữa hai hệ thống là hàm của mômen gia tốc và các quán tính hệ thống. Nhìn chung, rơle không thể xác định tốc độ trượt bằng phép giải tích do tính phức tạp của HTĐ. Tuy nhiên, bằng cách thực hiện các nghiên cứu ổn định và phân tích các biên độ góc pha dưới dạng hàm thời gian, chúng ta có thể ước tính tốc độ trượt trung bình ra theo đơn vị 0/s hoặc chu kỳ/s. Phương pháp này phù hợp với các hệ thống có tần số trượt thay đổi không đáng kể khi các hệ thống mất đồng bộ. Tuy nhiên, ở các hệ thống có tần số trượt tăng đáng kể sau khi trượt lần thứ nhất và các chu kỳ trượt tiếp theo thì sự tách rời trong cài đặt các tổng trở và thời gian trễ cho PSB có thể sẽ không phù hợp cho việc cung cấp liên tục tín hiệu khóa tới các phần tử Mho.
Hình 3- 6: Phương thức hai đường chắn
Dưới đây là một vài bước để cài đặt các đặc tuyến đa giác PSB. Các hướng dẫn cài đặt này được áp dụng cho tất cả các phương thức đường chắn khác (chẳng hạn phương thức 2 đường chắn ở hình 3-6 và được tóm lược như sau:
- Đặt các đường chắn điện trở đặc tuyến phía ngoài vào trong phụ tải lớn nhất có thể với một độ dự trữ an toàn như hình 3-6 minh họa.
- Đặt các đường chặn phía trong (mang tính trở) ra ngoài vùng bảo vệ vượt vùng lớn nhất mà được khóa khi diễn ra chế độ dao động điện. Thông thường,
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 72 chúng ta không muốn khóa các phần tử phát ra lệnh cắt chẳng hạn: phần tử dùng trong phương thức cắt có hỗ trợ truyền thông và phần tử Vùng 1.
Hình 3- 7: Các góc pha của 2 nguồn đẳng trị trong chế độ dao động điện không ổn định - Căn cứ vào các đường chắn cài đặt ở các bước trước, trị số thời gian PSB là T1 có thể tính toán từ biểu thức sau với thông tin về tổng trở nguồn cục bộ Z1S , tổng trở đường dây Z1L và tổng trở nguồn phái xa Z1R . Ang2R và Ang1R là các góc pha của nguồn khi đường chắn phía ngoài và phía trong chạm tới như ở hình 3-7.
Tần số trượt cực đại Fslip cũng được giả thiết trong tính toán: thường được chọn trong khoảng 4-7 Hz[1].
, chu kỳ (3-4) Rất khó thu được các trị số tổng trở nguồn phù hợp trong một hệ thống phức tạp như ở hình 3-7, cần thực hiện các cài đặt đường chắn và bộ đếm thời giàn cho PSB. Các tổng trở nguồn thay đổi liên tục theo những biến động trong hệ thống, chẳng hạn; việc đưa thêm các nguồn điện mới và các phần tử khác vào hệ thống.
Các tổng trở nguồn cũng có thể biến thiên mạnh trong khi diễn ra một kích động lớn và tại thời điểm khi các chức năng PSB và OST được gọi để thực hiện các hành động phù hợp.
Lưu ý: việc thiết kế chức năng PSB sẽ không còn quan trọng nếu các tổng trở nguồn vẫn là hằng số và dễ dàng có được nó. Thông thường, cần thực hiện các nghiên cứu rất chi tiết về độ ổn định của hệ thống để xem xét tất cả các chế độ biến cố trong việc xác định tổng trở nguồn đẳng trị phù hợp nhất nhằm cài đặt chức năng PSB truyền thống.
Ngoài việc cần nghiên cứu tỉ mỉ về hệ thống và các thông số chi tiết về nguồn điện, chúng ta cũng có thể bắt gặp những khó khăn đối với đường dây dài
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 73 mang tải lớn mà ở đó cùng phụ tải gần với phần tử khoảng cách cần khóa trong chế độ dao động điện. Trong chế độ này, khoảng cách giữa các đường chắn phía trong và ngoài có thể phải đủ lớn để gây ra các sai lệch đáng kể về thời gian đối với dao động điện. Nếu vùng tải lấn vào phần tử khoảng cách cần khóa khi diễn ra các dao động thì không thể đặt các đặc tuyến PSB giữa các vùng tải và vùng khoảng cách.
Khi đó không thể ứng dụng chức năng khóa PSB truyền thống và có thể phải cần đến hệ thống rơle bảo vệ hiện đại hơn có khả năng chống lẫn vùng của phụ tải.