Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất đến bảo vệ khoảng cách của lưới điện 220KV miền bắc việt nam

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học Bách khoa hà nội
----------------------------------------

đỗ đức thành

Nghiên cứu ảnh hởng của dao động công suất
đến bảo vệ khoảng cách của lới điện 220kV
miền bắc việt nam

Chuyên ngành: Hệ thống điện

Luận Văn Thạc Sĩ khoa học

Ngời hớng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH. trần đình long

Hà nội - 2010


LờI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung luận
văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đã đợc đăng ký và phê duyệt theo quyết định
số: 2203/QĐ-BKHN-SĐH của Hiệu trởng Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

BI

- Máy biến dòng điện

BU

- Máy biến điện áp

CTĐL

- Công ty điện lực

Cty TTĐ

- Công ty truyền tải điện

DĐCS

- Dao động công suất

FR

- Fault Recorder, Bộ ghi nhận sự cố

HTĐ

- Hệ thống điện

Lens

- Đặc tính dạng thấu kính

Mho

- Đặc tính hình tròn lệch tâm

OST

- Out of Step Trip, Chức năng cắt khi mất ổn định

PSB

- Power Swings Block, Chức năng chống dao động công suất

RLBV

- Rơle bảo vệ

RLI

- Đặc tính chắn ngoài phía bên trái

RLO

- Đặc tính chắn ngoài phía bên trái

RRI

- Đặc tính chắn trong phía bên phải

RRO

- Đặc tính chắn ngoài phía bên phải

SCV

- Swing-centre votage, điện áp tại tâm dao động

SSC

- Suất sự cố

TBA

- Trạm biến áp

TĐL

- Tự đóng lại

ZR

- Tổng trở tính toán tại vị trí đặt rơle


Danh mục các bảng

1

Bảng 3.1

Mạch vòng đo tổng trở và xác định hớng trong rơle 7SA513

2

Bảng 4.1

Cơ cấu nguồn của hệ thống điện miền Bắc

3

Bảng 4.2

Biểu đồ thành phần huy động nguồn từng tháng năm 2009

4

Bảng 4.3

Kiểm điểm xây dựng nguồn điện giai đoạn 2006 - 2010

5

Bảng 4.4

Kiểm điểm xây dựng lới truyền tải giai đoạn 2006 - 2010

6

Bảng 4.5

Bảng suất sự cố lới điện của các công ty truyền tải điện

7

Bảng 4.6

Bảng suất sự cố lới điện 110kV của các công ty điện lực

8

Bảng 4.7

Mô hình bảo vệ khoảng cách đờng dây hệ thống 220kV


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

1

Hình 1.1

Sơ đồ hệ thống đẳng trị

2

Hình 1.2

Biến thiên dòng điện và điện áp trong quá trình DĐCS

3

Hình 1.3

Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t

4

Hình 1.4

Dạng biến thiên của quĩ đạo tổng trở

5

Hình 1.5

Các dạng đờng đặc tính tổng trở

6

Hình 1.6

Biểu đồ đặc tính chắn

7

Hình 1.7

Đặc tính R-Rdot

8

Hình 1.8

Quĩ đạo đặc tính tổng trở liên tục

9

Hình 1.9

Đặc tính điện áp tâm dao động SCV

10

Hình 1.10 Đặc tính gần đúng của SCV

11

Hình 1.11

ảnh hởng của tổng trở nguồn và tổng trở đờng dây đến chức
năng PSB

12

Hình 1.12 Biến thiên góc đẳng trị trong quá trình mất ổn định

13

Hình 1.13 Hệ thống đẳng trị hai nguồn từ mạng hai cửa

14

Hình 1.14 Hệ thống hình sao đẳng trị giữa hai nút S và R

15

Hình 1.15 Sơ đồ xem xét biến thiên tâm dao động

16

Hình 1.16 Sơ đồ đẳng trị giữa hai nút 2 và 3

17

Hình 2.1

Quĩ đạo biến thiên của tổng trở Z

18

Hình 2.2

Mô hình nghiên cứu dao động công suất

19

Hình 2.3

Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trờng hợp mất ổn định

20

Hình 2.4

Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trờng hợp ổn định

21

Hình 2.5

Đặc tính phát hiện dao động công suất của rơle 7SA511

22

Hình 2.6

Mô hình hệ thống cài đặt chức năng OST

23

Hình 2.7

Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trờng hợp ổn định

24

Hình 2.8

Biến thiên quĩ đạo tổng trở trong trờng hợp mất ổn định

25

Hình 3.1

Sơ đồ khối của chơng trình tính toán PSS/E

26

Hình 3.2

Sơ đồ thuật toán tích phân số

27

Hình 3.3

Sơ đồ tính toán nhánh chuẩn


28

Hình 3.4

Sơ đồ tính toán lới chuẩn

29

Hình 3.5

Sơ đồ thuật toán tính toán ổn định động

30

Hình 3.6

Sơ đồ các bớc nghiên cứu ổn định động

31

Hình 3.7

Ngắn mạch đờng dây 500kV Nho Quan - Thờng Tín

32

Hình 3.8

Ngắn mạch đờng dây 220kV Nho Quan - Ninh Bình

33

Hình 3.9

Ngắn mạch tại đầu thanh cái phía 110 kV trạm Ninh Bình

34

Hình 3.10 Mạch vòng tính toán tổng trở sự cố pha - đất

35

Hình 3.11 Mạch vòng tính toán tổng trở sự cố pha - pha

36

Hình 3.12 Phân bố mạch vòng đo tổng trở pha A - đất

37

Hình 3.13 Sơ đồ khối thuật toán bảo vệ khoảng cách

38

Hình 3.14 Mô hình đặc tính rơle RELAY2

39

Hình 3.15 Đặc tính tác động của rơle 7SA511, 513

40

Hình 3.16 Đặc tính mho cơ bản (vùng I) của rơle 7SA522

41

Hình 3.17 Đặc tính đa giác của rơle 7SA522

42

Hình 3.18 Đặc tính đa giác của rơle EPAC 3000

43

Hình 3.19 Đặc tính tác động của rơle P441

44

Hình 3.20 Đặc tính tác động của rơle P443

45

Hình 3.21 Đặc tính tác động của rơle P447

46

Hình 3.22 Đặc tính tác động của rơle SEL 321

47

Hình 3.23 Đặc tính tác động của rơle REL 100

48

Hình 3.24 Đặc tính tác động của rơle REL 511

49

Hình 3.25 Đặc tính tác động của rơle loại PD

50

Hình 3.26 Mô hình RXR1 với đặc tính dạng đa giác

51

Hình 3.27 Mô hình DISTR1 với đặc tính dạng mho

52

Hình 4.1

ảnh hởng của điện trở quá độ với đặc tính MHO

53

Hình 4.2

ảnh hởng của hệ số phân bố dòng lên số đo bảo vệ khoảng cách

54

Hình 4.3

ảnh hởng của tụ bù dọc đến đặc tính tác động

55

Hình 4.4

Sơ đồ nghiên cứu bảo vệ khoảng cách đờng dây 220 kV

56

Hình 4.5

Ngắn mạch tại 50% chiều dài đờng dây 270 Hòa Bình - 271
Nho Quan


Ngắn mạch tại 90% chiều dài đờng dây 270 Hòa Bình - 271

57

Hình 4.6

58

Hình 4.7

Ngắn mạch tại cuối đờng dây 274 Nho Quan - 271 Ninh Bình

59

Hình 4.8

Ngắn mạch tại đầu đờng dây 276 Nho Quan - 272 Ba Chè

60

Hình 4.9

Dao động góc lệch khi sự cố đờng dây nghiên cứu

61

Hình 4.10

62

Hình 4.11

63

Hình 4.12 Quĩ đạo dao động tổng trở khi thời gian cắt tc = 0,1s

64

Hình 4.13 Quĩ đạo dao động của đờng dây Hòa Bình - Hà Đông

65

Hình 4.14 Cài đặt đặc tính chắn cho chức năng PSB

66

Hình 4.15 Kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của rơle PSB

67

Hình 4.16 Kiểm tra khả năng cắt chọn lọc của rơle PSB

68

Hình 4.17 Khả năng cắt mất ổn định của rơle OST

69

Hình 4.18 Kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của rơle OST

70

Hình 4.19 Mô hình rơle CIRIOS1 với đặc tính hình tròn

71

Hình 4.20 Mô hình rơle CIRIOS1 với đặc tính hình thấu kính Lens

72

Hình 4.21 Sơ đồ khối qui trình phân tích sự cố trên hệ thống điện quốc gia

73

Hình 4.22 Biến thiên của điện áp, dòng điện, tần số và quĩ đạo tổng trở ZR

74

Hình 4.23 Đặc tính tổng trở R-X và quĩ đạo tổng trở dao động ZR

Nho Quan

Dao động góc lệch khi sự cố đờng dây Nho Quan - Hà Tĩnh
500kV
Quĩ đạo dao động tổng trở khi sự cố 500kV Nho Quan - Thờng
Tín


MụC LụC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở ĐầU
Chơng 1 - nghiên cứu hiện tợng dao động công suất

1

1.1 Nguồn gốc phát sinh hiện tợng dao động công suất

1

1.2 Biến thiên các thông số trong quá trình DĐCS

2

1.3 Phân biệt sự cố ngắn mạch và hiện tợng DĐCS

3

1.4 Một số phơng pháp nhận dạng dao động công suất

6

1.4.1 Các phơng thức phát hiện hiện tợng DĐCS

6

1.4.2 Một số lu ý khi sử dụng các phơng pháp

14

1.5 Dao động công suất trong các mạng điện phức tạp

18

1.5.1. Phơng pháp thứ nhất

18

1.5.2. Phơng pháp thứ hai

19

Chơng 2 - Nghiên cứu tác động của dao động công
22
suất đến hoạt động của thiết bị bảo vệ

2.1 Nghiên cứu ảnh hởng của dao động công suất đến các thiết bị bảo
vệ

22

2.1.1 Sự hoạt động của các thiết bị bảo vệ khi xảy ra dao động

22

2.1.2 ảnh hởng đến bảo vệ khoảng cách

23

2.2 Kiểm tra tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

24

2.2.1 Yêu cầu về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

24

2.2.2. Khả năng dao động công suất trong các tình huống vận hành

25

2.2.3. Tính chọn lọc khi cha có chức năng khóa chống dao động
công suất
2.3 Cài đặt chức năng chống dao động công suất

25

28


2.3.1. Chức năng chống dao động công suất Power Swing

28

2.3.2. Phơng thức phát hiện và cài đặt chức năng chống DĐCS

32

2.3.3. Kiểm tra tính chọn lọc của rơle khoảng cách và phân tích hiệu
quả của chức năng chống DĐCS

33

Chơng 3 - Mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm
39
pss/E - 30.2
3.1 Tổng quan về chơng trình PSS/E

39

3.1.1 Giới thiệu chung

39

3.1.2 Mô phỏng các phần tử của hệ thống điện

41

3.1.3 Nghiên cứu ổn định động trong PSS/E

43

3.1.4. Ví dụ tính toán ổn định động

48

3.2 Tính toán tổng trở và mô phỏng rơle bảo vệ khoảng cách

49

3.2.1 Nguyên tắc tính toán tổng trở

50

3.2.2 Tính toán tổng trở trong phần mềm PSS/E

54

3.2.3 Mô phỏng thiết bị bảo vệ

55

Chơng 4 - ứng dụng cho thiết bị bảo vệ lới 220kV miền
65
Bắc Việt Nam
4.1 Giới thiệu trang thiết bị bảo vệ trên lới hệ thống điện 220kV miền
Bắc

65

4.1.1 Tổng quan hệ thống điện 220kV miền Bắc Việt Nam

65

4.1.2 Hệ thống trang thiết bị bảo vệ

69

4.1.3 Khó khăn trong cài đặt, chỉnh định và hoạt động của thiết bị

73

bảo vệ.
4.2 Xác định quĩ đạo đặc tính tổng trở rơle khoảng cách

79

4.2.1 Mô phỏng hệ thống điện 220kV miền Bắc Việt nam

79

4.2.2 Kết quả mô phỏng

81

4.3. Phân tích tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

81

4.3.1 Lựa chọn và cài đặt giá trị cho các bảo vệ khoảng cách

81

4.3.2 Kiểm tra giá trị tác động của rơle bảo vệ

82

4.3.3 Nghiên cứu tác động đến bảo vệ khi xảy ra dao động công suất

85


4.3.4 Kết luận về sự hoạt động của bảo vệ
4.4. Kiểm tra sự hoạt động của bảo vệ khoảng cách

89
90

4.4.1 Cài đặt chức năng chống dao động công suất PSB

90

4.4.2 Hoạt động của bảo vệ khi xảy ra ngắn mạch

91

4.4.3 Cài đặt chức năng cắt khi mất ổn định OST

93

4.4.4 Kết luận về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách

96

4.4.5 Biện pháp hạn chế hiện tợng dao động công suất

97

4.5. Nghiên cứu ứng dụng bộ ghi nhận sự cố Fault Recorder
4.5.1. Qui trình phân tích sự cố

98
98

4.5.2. Tính năng của bộ FR

101

4.5.3. Phân tích sự tác động của bảo vệ qua bộ FR

101

KếT LUậN Và KIếN NGHị
TàI LIệU THAM KHảO
PHụ LụC

103

Mở đầu

1. Lý do chọn đề tài
Dao động công suất là một trong những hiện tợng có thể gây ảnh hởng lớn đến
hoạt động của hệ thống rơle, nếu không đợc nghiên cứu và chỉnh định đúng có thể
dẫn đến sự cố trầm trọng của hệ thống điện. Hệ thống càng phức tạp, hiện tợng dao
động điện và việc nghiên cứu ảnh hởng của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ
càng khó khăn. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hởng của dao động công suất đến các thiết bị
bảo vệ nói chung và bảo vệ khoảng cách nói riêng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối
với các hệ thống điện hiện đại.
2. Lịch sử nghiên cứu
Tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: sai số
của các máy biến dòng điện BU, máy biến điện áp BI, điện trở quá độ tại vị trí sự cố,
hiện tợng dao động công suất,Một trong những yếu tố đó là hiện tợng dao động
công suất. Khi xảy ra hiện tợng dao động công suất, bảo vệ khoảng cách có thể tác
động nhầm làm gián đoạn cung cấp điện. Từ đó, đặt ra yêu cầu nghiên cứu ảnh hởng
của dao động công suất đến hoạt động của thiết bị bảo vệ nói chung và bảo vệ khoảng
cách nói riêng.
* Nghiên cứu trong nớc:
Hiện tại, trong nớc có rất nhiều đề tài về lĩnh vực bảo vệ rơle và tự động hóa hệ
thống điện. Các đề tài nghiên cứu về loại thiết bị bảo vệ theo nguyên lý: Quá dòng, so
lệch, khoảng cách,...đặc biệt là đối với bảo vệ khoảng cách. Nếu quá trình cài đặt,
chỉnh định của thiết bị bảo vệ không đúng thì bảo vệ sẽ hoạt động sai gây ra sự gián
đoạn cung cấp điện trong cả chế độ bình thờng và làm trầm trọng thêm chế độ sự cố.
Do đó, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hởng đến sự hoạt động
của thiết bị bảo vệ khi thay đổi thông số cấu trúc lới điện nh: đóng - cắt đờng dây,
thêm - bớt tổ máy, thay đổi phụ tải, Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu về lý thuyết và
phân tích sự hoạt động sai của bảo vệ khoảng cách đờng dây cha đợc xem xét đầy

đủ, đặc biệt là khi xảy ra hiện tợng dao động công suất.
* Nghiên cứu ngoài nớc:
Trên thế giới, đã có một số đề tài nghiên cứu ảnh hởng của các thông số cấu trúc
vận hành lới đến sự hoạt động chính xác của hệ thống bảo vệ khi xảy ra các chế độ


không bình thờng: tăng - giảm tải, đóng - cắt các tổ máy,... gây ra các nhiễu loạn đến
hệ thống và thờng đợc gọi là hiện tợng dao động công suất. Một ví dụ điển hình là
sự cố tại vùng Đông bắc nớc Mỹ và phía nam Canada vào ngày 14 tháng 8 năm 2003,
hệ thống bị sụp đổ trong 9 giây, 50 triệu ngời bị ảnh hởng và 22 nhà máy điện hạt
nhân tách khỏi hệ thống. Phải mất rất nhiều thời gian mới có thể hòa đồng bộ lại các
vùng trong hệ thống và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Một trong những nguyên nhân đa
ra để giải thích sự cố trên là sự tác động sai của các bảo vệ đờng dây truyền tải khi
xảy ra hiện tợng dao động công suất.
Đối với hệ thống rơle bảo vệ khoảng cách đờng dây 220 kV ở Việt Nam có
những đặc điểm riêng, do đó cần phải có các nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là sự ảnh
hởng đến tính chọn lọc của bảo vệ khi xảy ra hiện tợng dao động công suất.
3. Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt đợc):
Đề tài nhằm đạt đợc các kết quả sau:
- Tìm hiểu các nguyên lý tác động và vấn đề chỉnh định của hệ thống bảo vệ rơle.
- Nghiên cứu hiện tợng Dao động công suất: nguyên nhân, các phơng thức phát
hiện dao động công suất, biến thiên của các thông số vận hành hệ thống điện trong quá
trình dao động.
- Nghiên cứu ảnh hởng hiện tợng Dao động công suất đến hoạt động của các
thiết bị bảo vệ.
- Đánh giá ảnh hởng của dao động công suất đến thiết bị bảo vệ của lới điện
220 kV miền Bắc Việt Nam.
- Kiến nghị các giải pháp hạn chế ảnh hởng của dao động công suất đến hoạt
động của thiết bị bảo vệ.
4. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tợng nghiên cứu: Hệ thống 220 kV miền Bắc Việt Nam
- Phạm vi nghiên cứu: Rơle bảo vệ khoảng cách cho các đờng dây.
5. Luận điểm cơ bản và các đóng góp mới
* Nội dung nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu hiện tợng dao động công suất trong hệ thống điện và ảnh hởng
của nó đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách.
- Các phơng pháp hiện đại đã đợc nghiên cứu để phát hiện dao động và phơng
thức kiểm tra tình trạng làm việc của rơle trên mô hình nghiên cứu.


- Kiểm tra tình trạng làm việc của bảo vệ khoảng cách trên mô hình hệ thống điện
nghiên cứu (HTĐ 220 kV miền Bắc Việt Nam) bằng phần mềm mô phỏng PSS/E - 30.2
Nhận dạng hiện tợng DĐCS và đề xuất giải pháp khắc phục.
* Các đóng góp mới
- Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng giá trị cài đặt và xem xét quá trình
đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách khi xảy ra ngắn mạch.
- Mô phỏng các mô hình rơle bảo vệ và nghiên cứu phản ứng của chúng trong quá
trình dao động công suất.
- Đề xuất các biện pháp nâng cao tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách đối với
lới điện 220 kV miền Bắc Việt Nam.
6. Phơng pháp nghiên cứu
- Thống kê, thu thập số liệu về tình trạng cung cấp điện, trang thiết bị bảo vệ của
hệ thống 220 kV miền Bắc Việt Nam.
- Sử dụng phần mềm PSS/E - 30.2 để mô phỏng hệ thống và kiểm tra sự hoạt
động của rơle bảo vệ khoảng cách.
7. ý Nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hởng của hiện tợng dao động công suất khi xảy
ra sự biến động đột ngột trong cấu trúc hệ thống đến tính chọn lọc của thiết bị rơle bảo
vệ khoảng cách đờng dây. Kiểm chứng sự hoạt động của chức năng chống dao động
công suất của rơle và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ảnh hởng đến tính liên tục

cung cấp điện. Do vậy, đề tài có tính khoa học và thực tiễn.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 4 chơng, 8 bảng, 74 hình vẽ đợc trình bày trên 104 trang.
-

Chơng 1: Nghiên cứu hiện tợng dao động công suất

-

Chơng 2: Nghiên cứu tác động của dao động công suất đến hoạt động của
thiết bị bảo vệ

-

Chơng 3: Mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E - 30.2

-

Chơng 4: ứng dụng cho thiết bị bảo vệ lới 220kV miền Bắc Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ đợc thực hiện tại Bộ môn Hệ thống điện, trờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội. Trong quá trình thực hiện tác giả nhận đợc sự tận tình chỉ bảo của
ngời hớng dẫn khoa học: VS.GS.TSKH. TRầN ĐìNH LONG, cũng nh các ý kiến
đóng góp quý báu của các đồng nghiệp, các nhà khoa học, các thầy, cô giáo của Bộ


môn Hệ thống điện. Tuy nhiên, luận văn vẫn còn nhiều điểm thiếu xót, rất mong đợc
sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các quí thầy, cô, các bạn bè, đồng nghiệp để
luận văn đợc hoàn thiện hơn
Tác giả xin chân thành cảm ơn.

Tác giả luận văn

Đỗ Đức Thành


Chơng 1
Nghiên cứu Hiện tợng dao động công suất

1.1. Nguồn gốc phát sinh hiện tợng dao động công suất.
Dao động công suất (Power Swings) có thể phát sinh khi có sự thay đổi đột
ngột cấu trúc lới điện nh: đóng, cắt một nhà máy công suất lớn, cắt đờng dây
đầy tải,... gây ra sự biến động mạnh các thông số trên các đờng dây có đặc trng
giống nh hiện tợng ngắn mạch. Khi đó, dòng điện tăng lên, áp giảm xuống có thể
làm cho các bảo vệ tác động nhầm, làm trầm trọng các sự cố.
Theo quy định trong vận hành, khi xảy ra dao động công suất (DĐCS) các bảo
vệ không đợc tác động để đảm bảo tính chọn lọc của các bảo vệ và không làm trầm
trọng thêm chế độ làm việc của hệ thống. Do đó cần cài đặt, chỉnh định đúng các giá
trị bảo vệ và thực hiện chức năng cấm bảo vệ tác động khi xảy ra dao động công
suất.
1.2. Biến thiên các thông số trong quá trình dao động công suất.
Khi xảy ra dao động công suất thì các thông số vận hành nh: điện áp, dòng
điện, công suất, góc,... biến thiên rất phức tạp. Trong đó, giá trị dòng sẽ tăng lên và
áp giảm xuống và bảo vệ phản ứng nh lúc có ngắn mạch đối xứng. Xét hệ thống
đơn giản gồm hai nguồn đẳng trị đơn giản nối với nhau qua 1 đờng dây nh sau:

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống đẳng trị
Dạng dòng điện và điện áp theo thời gian trong quá trình dao động nh sau:

Hình 1.2. Biến thiên dòng điện và điện áp trong quá trình dao động công suất
-1-

Khi đó các thông số biến thiên theo góc lệch trong quá trình dao động đợc
xác định theo biểu thức (giả thiết tổng trở hệ thống là XT và xem xét ES=ER=E1):
Công suất:

P = E1 Icos =

Dòng điện:

I =2

Tổng trở đo lờng ZR:

ZR =

Đạo hàm của tổng trở ZR:

dZ R
XT
=
dt
2

Giá trị điện áp SCV:

U .cos =

E12
sin

XT

E1

sin
XT
2

(1-2)

U XT

=
cot g
I
2
2
1


1 cos

(1-1)

(1-3)
d

dt

P

= E1cos
I
2

(1-4)
(1-5)

Có thể nhận thấy rằng hầu hết chúng phụ thuộc vào giá trị tổng trở XT và góc
lệch .
Dòng dao động khi mất đồng bộ đợc xác địh theo biểu thức:
IDĐ =

2E

sin
X
2

(1-6)

Khi góc lệch =1800 thì dòng dao động IDĐ = 2. I N(3) , bảo vệ sẽ tác động khi
có dao động công suất. Đối với các bảo vệ phản ứng theo điện áp U và tổng trở Z ở
tâm dao động và ở vùng lân cận nó thì điều kiện làm việc bất lợi do điện áp tại vùng
này giảm mạnh [10].
Chu kỳ TDĐ phụ thuộc vào mức độ lệch tốc độ của máy phát điện đồng bộ.
Hiệu số 1 2 càng lớn thì chu kỳ dao động càng bé. Khi trong hệ thống có dao
động, độ dài của chu kỳ dao động nói chung là thay đổi. Do xuất hiện dao động mà
tốc độ quay của rôto máy phát điện bắt đầu thay đổi, ví dụ nh tăng đến một mức
nào đó thì giảm xuống rồi lại tăng, dao động xung quanh giá trị tốc độ đồng bộ. Chu

kỳ dao động cũng thay đổi một cách tơng ứng.
Cần phân biệt hai trờng hợp dao động: đồng bộ và mất đồng bộ. Trong trờng
hợp ổn định, tần số trợt giảm đi rất nhanh và góc lệch dao động nhng không
đạt đến 1800. Trong trờng hợp mất ổn định, dấu hiệu chính là tốc độ trợt
s = 1 2 tăng nhanh, chu kỳ dao động giảm xuống và góc lệch vợt quá giá trị

-2-


1800. Các nghiên cứu cho thấy: trong những điều kiện nhất định, các máy phát vẫn
có thể trở lại làm việc đồng bộ với nhau, nhng quá trình này nói chung là khá dài.
Các dao động điện áp phát sinh trong trờng hợp này ảnh hởng xấu đến chế độ làm
việc của các hộ dùng điện. Vì vậy cần phải tìm các biện pháp khắc phục.
1.3. Phân biệt sự cố ngắn mạch và hiện tợng dao động công suất.
Theo nguyên lý của bảo vệ khoảng cách, từ số liệu đầu vào của các biến dòng
điện BI và biến điện áp BU sẽ tính toán đợc trị số tổng trở ZR. Giá trị ZR đo đợc tại
vị trí đặt thiết bị bảo vệ trong chế độ bình thờng chủ yếu đợc xác đinh theo tổng
trở tải ZT. Thông thờng tổng trở tải ZT nằm cách xa các vùng tác động (I, II, III)
của bảo vệ khoảng cách nên bảo vệ sẽ không tác động.
Khi xảy ra chế độ bất thờng trong hệ thống, ví dụ nh ngắn mạch gần khu
vực đặt bảo vệ, giá trị tổng trở tính toán khi đó là tổng trở sự cố ZSC. Khi xảy ra ngắn
mạch, điện áp tại vị trí đặt bảo vệ giảm đi và dòng điện tăng dẫn đến tổng trở ZSC có
thể di chuyển vào vùng tác động của bảo vệ (đặc tính mho, đặc tính tứ giác). Khi đó,
bảo vệ sẽ cắt với thời gian tơng ứng đã đợc cài đặt trớc. Giá trị tổng trở ZR giảm
với tốc độ rất nhanh (dZ/dt -> ) từ giá trị ZT đến giá trị ZSC nh minh họa trên hình
1.3a trong chế độ sự cố ngắn mạch [3].
Z

ZT

dZ
dt



ZSC
t

Ngn mch

a.

Hình 1.3. Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t
Khi xảy ra dao động công suất với các đặc trng gần giống nh ngắn mạch, giá
trị tổng trở ZR cũng biến thiên từ giá trị ZT vào trong vùng tác động của bảo vệ và
dao động (Hình 1.3b). Khi đó bảo vệ khoảng cách có thể tác động nhầm gây mất

-3-


chọn lọc. Ngời ta dựa trên tốc độ biên thiên của tổng trở ZR để phân biệt trờng
hợp sự cố ngắn mạch (rất nhanh) và dao động công suất (chậm hơn).
Quĩ đạo biến thiên tổng trở ZR theo thời gian trong mặt phẳng R_X có thể đợc
sử dụng bằng các đặc tính chắn để phát hiện dao động:
Đặc tính rơle

Quĩ đạo tổng trở

Hình 1.4. Dạng biến thiên của quĩ đạo tổng trở
Một vài loại bảo vệ nh so lệch về nguyên tắc không tác động khi có dao động

công suất, nhng phần lớn các loại bảo vệ không phân biệt đợc dao động công suất
với ngắn mạch đối xứng, cho nên phải có biện pháp để tránh không cho bảo vệ tác
động khi có dao động công suất. Ngời ta đã dùng 3 cách để thực hiện yêu cầu trên.
- Cách thứ nhất thực hiện đơn giản nhất. Nội dung của nó là chọn các tham số
khởi động của các rơle khởi động sao cho khi có dao động công suất chúng không
tác động. Với mục đích trên ngời ta chọn dòng khởi động của các bảo vệ dòng điện
lớn hơn dòng dao động cực đại IKĐ > IDđmax. Đối với bảo vệ khoảng cách ZKĐ phải
chọn nhỏ hơn giá trị điện trở cực tiểu có thể có tại nơi đặt bảo vệ khi có dao động
công suất. Điều kiện này có thể thực hiện đợc nếu nh tâm dao động nằm ở ngoài
vùng tác động của bảo vệ. Trên thực tế biện pháp ngăn ngừa tác động nhầm này khi
có dao động công suất chỉ có thể áp dụng cho bảo vệ dòng điện cắt nhanh và vùng
một của bảo vệ khoảng cách.
- Cách thứ hai là cho bảo vệ tác động với thời gian duy trì vào khoảng 1-2s.
Biện pháp này đợc áp dụng trong trờng hợp nếu nh tăng thêm thời gian làm việc

-4-


của bảo vệ nh vậy không ảnh hởng gì đến điều kiện ổn định của hệ thống và an
toàn cung cấp điện cho các hộ dùng điện.
- Cách thứ ba là dùng bộ khóa để tự động khóa bảo vệ lại khi xuất hiện dao
động công suất. Thiết bị khóa cần phải thỏa mãn hai điều kiện cơ bản sau đây:
a. Khóa đợc bảo vệ khi có dao động công suất xuất hiện trong tình trạng làm
việc bình thờng cũng nh khi có ngắn mạch.
b. Không đợc ngăn cản bảo vệ tác động nếu nh trong thời gian có dao động
lại xảy ra ngắn mạch ngay trên phần tử đợc bảo vệ.
ở Nga thờng dùng hai loại thiết bị khóa: loại thứ nhất phân biệt ngắn mạch
với dao động công suất bằng cách phát hiện sự mất đối xứng về dòng hay áp của
mạng điện; Loại thứ hai phản ứng theo tốc độ biến thiên dòng, áp hay điện trở ở chỗ
đặt bảo vệ.

Thông thờng đa phần ngắn mạch ba pha là do từ ngắn mạch một pha và hai
pha phát triển thành. Điều này xảy ra ngay cả khi đóng điện vào mạch bị nối tắt cả
ba pha vì các đầu tiếp xúc của máy cắt không đóng lại cùng một lúc. Ngoài ra các
kết quả nghiên cứu cho thấy là ngay cả khi ba pha cùng đóng lại đồng thời, trong
chốc lát vẫn có dòng điện thứ tự nghịch đi qua rơle do các quá trình quá độ trong bộ
lọc dòng hay áp trong mạch sơ cấp biến thiên một cách đột ngột, và do xuất hiện
thành phần không chu kỳ trong dòng và áp khi có ngắn mạch. Kết quả là ở thời điểm
đầu của ngắn mạch ba pha, ở đầu ra của bộ lọc xuất hiện áp và dòng thứ tự nghịch.
Tuy chúng chỉ xuất hiện trong chốc lát nhng vẫn đủ để cho rơle RU2 tác động.
Nh vậy có thể kết luận là khác với dao động công suất, ngắn mạch luôn luôn
gây nên dòng và áp thứ tự nghịch hoặc lâu dài hoặc ngắn hạn.
Nguyên tắc làm việc của khóa bằng rơle thứ tự nghịch là nó cho phép bảo vệ
tác động khi xuất hiện dòng và áp thứ tự nghịch và không cho phép bảo vệ làm việc
nếu nh dòng và áp không mất đối xứng (U2=0 và I2=0).
Bộ khóa này làm việc nh một thiết bị khởi động chỉ cho phép bảo vệ tác động
khi có ngắn mạch nhng không đợc làm việc khi có quá tải hay dao động công
suất. Để khi ngắn mạch ba pha bảo vệ cũng có thể tác động đợc, bộ khóa phải có
phần tử ghi nhận sự mất đối xứng ngắn hạn ban đầu.

-5-


1.4. Một số phơng thức hiện đại nhận dạng dao động công suất.
1.4.1. Các phơng thức phát hiện hiện tợng dao động công suất
A1. Phơng pháp giá trị tổng trở [22]
Khi xảy ra quá trình dao động công suất, tổng trở đo đợc di chuyển một cách
chậm chạp trên đặc tính R-X và mức thay đổi tổng trở đợc xác định bởi tần số trợt
của hệ thống hai nguồn đẳng trị tơng đơng. Biểu đồ khối chống dao động (Power
Swings Block - PSB) thông thờng sử dụng mức độ sai khác tổng để phân biệt sự cố
và hiện tợng dao động công suất. Để có thể nhận diện sự thay đổi này, sử dụng một

khoảng giới hạn giữa hai đặc tính tác động đồng tâm và một bộ định thời gian để
xác định khoảng thời gian đặc tính tổng trở di chuyển qua chúng. Nếu tổng trở di
chuyển qua hai đặc tính đồng tâm với thời gian ngắn, rơle sẽ xác nhận đó là một sự
cố. Ngợc lại, nếu thời gian định sẵn đã hết trớc khi tổng trở di chuyển qua các đặc
tính tổng trở, rơle sẽ xếp loại sự kiện đó là dao động công suất.
a. Biểu đồ đặc tính đồng tâm
Phơng pháp đơn giản nhất để đo mức thay đổi tổng trở là xác định thời gian
trôi qua một vùng giới hạn bởi hai đặc tính tổng trở của véctơ tổng trở. Đặc tính tổng
trở thứ hai đồng tâm với đặc tính tổng trở thứ nhất. Có hai cách thực hiện: thêm hai
đặc tính tổng trở mới hoặc chỉ thêm một đặc tính mới đồng tâm với một đặc tính bảo
vệ đã có sẵn. Hình 1.5 đa ra một đặc tính rơle đồng tâm đợc sử dụng cho chức
năng cắt mất đồng bộ (Out-of-Step Trip - OST) và chống dao động công suất PSB.
Đặc tính này có điểm thuận tiện là sự cảm nhận hiện tợng dao động công suất
đợc kiểm tra trớc khi tổng trở tiến vào vùng cắt và có thể khóa bảo vệ nếu cần
thiết. Điều này đợc thực hiện bởi việc cài đặt đặc tính đồng tâm nằm phía ngoài
đặc tính cắt của bảo vệ. Để có thể cài đặt đúng thì thờng cần phải nghiên cứu thêm
quá trình ổn định động của hệ thống.
Các đặc tính này sẽ giới hạn công suất truyền tải trên đờng dây hay giới hạn
tầm của đặc tính tổng trở ngoài. Riêng đối với đặc tính đa giác cần tránh đờng đặc
tính đa giác trùm lên đặc tính tải. Đặc biệt là đờng dây dài tải nặng thì yêu cầu này
cần đợc chú ý.

-6-


c tớnh ngoi

c tớnh ngoi
c tớnh
trong

c tớnh trong

b. c tớnh a giỏc

a. c tớnh hỡnh trũn

Hình 1.5. Các dạng đờng đặc tính tổng trở
b. Biểu đồ đặc tính chắn
- Biều đồ hai đặc tính chắn
Biểu đồ này đợc xây dựng cùng trên nguyên lý đo thời gian của sự di chuyển
của véctơ tổng trở qua một khoảng tổng trở định trớc. Thời gian đo đợc tính khi
véctơ tổng trở đi qua đặc tính chắn ngoài (RRO) và dừng khi di chuyển qua đặc tính
trong (RRI). Nếu thời gian đo đợc vợt quá một khoảng thời gian định trớc, tình
huống dao động công suất đợc nhận biết. Những đặc tính chắn đợc cài đặt song
song với đặc tính đờng dây là tối u vì véc tơ tổng trở dao động công suất thờng
di chuyển vào vùng đặc tính bảo vệ với một góc gần 900 so với góc của đờng dây.
Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của lới điện, điều này có thể luôn luôn đúng nhng
nó có thể đợc coi là giả thiết đơn giản hóa. Một điểm thuận tiện của đặc tính chắn
là nó có thể sử dụng độc lập với đặc tính bảo vệ. Thêm vào đó, khi véctơ tổng trở đã

-7-


nằm trong khoảng tổng trở chắn, phần tử rơle bảo vệ có thể khóa không cắt trong
trờng hợp tải nặng hoặc dao động công suất ổn định. Nếu nhận thấy hiện tợng dao
động công suất không ổn định, phần tử đặc tính cắt MHO có thể cho phép cắt tức
thời hoặc cắt với thời gian trễ để giảm thiểu quá điện áp phục hồi trên máy cắt. Để
có thể chỉnh định đúng đặc tính chắn yêu cầu quá trình phân tích mạng lới rất chi
tiết.

Tỏc ng

Dao ng
mt n nh

ZD

Khụng tỏc
ng

Dao ng n
nh

Hình 1.6. Biểu đồ đặc tính chắn
- Biểu đồ đờng chắn đơn
Biểu đồ đờng chắn đơn chỉ sử dụng một đờng đặc tính chắn. Đặc tính này
cộng thêm với thuật toán lôgic có thể đợc sử dụng cho chức năng OST. Nó có thể
đợc dùng để cắt có giới hạn khi đặc tính tải nằm ngoài đờng đặc tính chắn. Biểu
đồ đặc tính đơn không thể phân định giữa một sự cố và điều kiện cắt vợt phép cho
đến khi sự cố đi qua đặc tính chắn thứ hai trong một khoảng thời gian cho trớc.
Nh thế, biểu đồ này không thể sử dụng để khóa bảo vệ cắt máy cắt khi xảy ra dao
động công suất mất ổn định, bởi vì rơle sẽ cắt theo mức u tiên theo biểu đồ xác
định điều kiện mất ổn định. Nó còn đợc sử dụng để chặn quá trình tự động đóng lại
khi dò thấy hiện tợng dao động công suất mất ổn định. Thêm vào đó, nó làm trễ sự
tác động của chức năng OST cho đến khi quá trình dao động góc vợt quá 1800 và

-8-


quay trở lại với điều kiện vận hành bình thờng. Điểm thuận lợi của biểu đồ đờng

chắn đơn là sự hữu dụng khi có sự bao trùm lên đặc tính tải khi tải thay đổi.
- Biểu đồ Rdot
Quá trình cắt do mất đồng bộ trên đờng dây liên lạc điện áp cao đôi khi yêu
cầu trớc hết điện áp tại tâm dao động tiến tới một giá trị cực tiểu. Điều này ngăn
chặn biến động điện áp rất xấu đến hệ thống điện bởi việc cắt tải không mong muốn
và mất đồng bộ giữa từng khu vực của mạng lới điện. Rơle OST đợc gia cố thêm
tỷ lệ của thành phần trở kháng biểu kiến đợc gọi là biểu đồ Rdot. Trở kháng căn cứ
trên thuật toán điều khiển đợc đa ra nh sau:
1. Rơle OST thông thờng:

Y1= (R-R1) 0

2. Rơle Rdot:

Y2= (R-R1) + T1.

(1-7)
dR
0,
dt

(1-8)

trong đó: Y1 và Y2 là tín hiệu điều khiển đầu ra,
R trở kháng biểu kiến đợc đo bởi rơle,
R1, T1 là các thông số cài đặt.

Hình 1.7. Đặc tính R-Rdot
Đặc tính trên có thể hình dung một cách tốt nhất qua biểu đồ R-Rdot nh trên
hình 1.7. Y1 và Y2 trở thành khóa đờng cắt trong hệ tọa độ pha-cực và rơle Rdot

mở rộng thêm 1 đầu ra khi quỹ đạo dao động công suất di chuyển qua đờng cắt
trong hệ R-Rdot. Đối với rơle OST thông thờng không giới hạn mức thay đổi trở
kháng biểu kiến là một đờng thẳng đứng đợc dịch đi một khoảng bằng thông số
R1 đã cài đặt. Đờng cắt Y2 là một đờng thẳng có một hệ số góc nghiêng T1 trong

-9-


hệ trục R-Rdot. Sự phân tách hệ thống sẽ bắt đầu xảy ra khi Y2 trở nên âm. Đối với
mức độ phân tách thấp (dR/dt nhỏ) sự hoạt động của biểu đồ Rdot sẽ tơng tự nh
biểu đồ của rơle OST thông thờng. Hơn nữa, mức độ phân tách cao hơn dR/dt sẽ
dẫn đến một giá trị Y2 âm lớn hơn và sẽ khởi động quá trình cắt sớm hơn. Trong quá
trình thực tế vận hành, rơle sử dụng một đặc tính gấp khúc bao gồm hai đoạn thẳng
hơn là một đờng thẳng nh trên hình 1.7.
A2. Phơng pháp tính toán tổng trở liên tục :
Phơng pháp này xác định điều kiện dao động công suất căn cứ trên phơng
thức tính toán tổng trở liên tục theo thời gian. Tính liên tục ở đây đợc hiểu theo
nghĩa, ví dụ nh cứ mỗi bớc 5 ms việc tính toán tổng trở đợc thực hiện một lần, và
so sánh với giá trị tại thời điểm trớc đó. Ngay sau khi có đợc mức độ chênh lệch
của giá trị tổng trở, một tình huống mất đồng bộ đợc giả định là đã xảy ra nhng
cha đảm bảo chắc chắn. Giá trị tổng trở kế tiếp đợc đo sau 5ms sẽ đợc ngoại suy
dựa trên sự sai khác giá trị tổng trở đo đợc trớc đó. Nếu quá trình ngoại suy là
đúng, nó sẽ chứng tỏ rằng quĩ đạo tổng trở là dao động. Trong tình huống đó, điều
kiện dao dộng công suất đợc nhận biết. Để tăng tính tin cậy, quá trình tính toán
ngoại suy vẫn cần đợc thực hiện thêm.

Hình 1.8. Quĩ đạo đặc tính tổng trở liên tục
Mức độ sai khác của tổng trở không cần phải đề cập đến vì thuật toán sẽ tự
động đánh giá tổng trở sai lệch đo đợc giữa hai lần tính toán kế tiếp và thiết lập giá
trị tổng trở sai lệch cho bớc kế tiếp. Điều này dẫn tới tổng trở chênh lệch sẽ đợc

tính toán động và thích ứng với sự thay đổi của tổng trở dao động công suất. Thời
gian tính toán giữa các bớc cũng không đặt ra bởi vì nó đợc xác định bởi chu kì
- 10 -


tính toán của thuật toán sử dụng. Nếu thời gian véctơ tổng trở thay đổi không tiếp
cận tới đặc tính cắt nhanh hơn việc xác định điều kiện mất ổn định một cách chắn
chắn (ít nhất 3 lần tính toán, mỗi lần 10 ms), quá trình phát hiện đợc coi là thành
công.
A.3. Phơng pháp điện áp tại tâm dao động
Điện áp tại tâm dao động ( Swing-centre votage - SCV) đợc định nghĩa nh là
điện áp tại nơi có giá trị bằng không của hệ thống hai nguồn đẳng trị tơng đơng
khi góc lệch giữa hai nguồn là 1800. Khi hệ thống hai nguồn mất ổn định và tiến tới
trạng thái mất đồng bộ sau một vài sự cố, độ chênh lệch góc giữa hai nguồn (t ) sẽ
tăng lên nh là một hàm của thời gian. Hình 1.9 minh họa biểu đồ góc pha điện áp
của một hệ thống hai nguồn máy phát, với điện áp tại tâm dao động đợc biểu diễn
từ điểm 0 đến điểm 0.
Công thức tính xấp xỉ của điện áp SCV đợc xác định nh sau:
SCV VS .cos

(1-9)

Trong đó : VS là biên độ của điện áp đo lờng đợc, là góc lệch giữa véc tơ
điện áp Vs và dòng điện nh trên hình 1.10. Trên hình 1.10, nhận thấy rằng giá trị
V.cos là hình chiếu của Vs trên trục dòng điện I. Đối với hệ thống đồng nhất, với
góc gần 900, V.cos xấp xỉ giá trị biên độ của điện áp tại tâm dao động. Để phát
hiện dao động công suất, yếu tố thay đổi của điện áp tại tâm dao động là thông tin
chính của dao động hệ thống. Do đó, sự sai khác trong biên độ SCV của hệ thống và
giá trị ớc lợng ảnh hởng đến quá trình nhận biết dao động công suất.

Hình 1.9. Đặc tính điện áp tâm dao động SCV

- 11 -