Định vị sự cố trên đường dây tải điện không đồng nhất dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ hai đầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Văn Hưng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG NHẤT DỰA THEO TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Văn Hưng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG NHẤT DỰA THEO TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội - 2014


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...............................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... viii
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ................1
1.1
Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây tải điện ................... 1
1.2
Tổng quan về các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải .................. 3
1.2.1 Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ..........................3
1.2.2 Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ hai phía ............................4
1.2.3 Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền ................................6
CHƢƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG TỪ
MỘT PHÍA ..............................................................................................................12
2.1
Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng từ một phía. ....................... 12
2.1.1 Nguyên lý làm việc ..................................................................................................12
2.1.2 Các mạch vòng tính toán tổng trở ............................................................................13

2.1.3

Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phƣơng pháp chỉ
dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ....................................................................16

2.1.4 Tổng kết các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu
đo lƣờng từ một phía ................................................................................................22
2.2

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng
dây ............................................................................................................................23

2.2.1

Nguyên lý làm việc ..................................................................................................23

2.2.2 Vấn đề cần giải quyết đối với thuật toán này...........................................................25
2.3

Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận văn .................................................... 26

CHƢƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG NHẤT
DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU ................................27
3.1
Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 27
i


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

3.2
3.3
3.4
3.5

Thuật toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây không đồng nhất [8]..................... 27
Thuật toán xác định đoạn đƣờng dây bị sự cố ......................................................... 29
Thuật toán xác định vị trí sự cố ............................................................................... 34
Định vị sự cố với trƣờng hợp ngắn mạch 3 pha [3] ................................................. 36

CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG ...........................................38
4.1
Công cụ mô phỏng và tính toán ............................................................................... 38
4.1.1 Công cụ sử dụng ......................................................................................................38
4.1.2 Sơ đồ khối của thuật toán.........................................................................................41
4.1.3 Thông số của sơ đồ mô phỏng .................................................................................42
4.1.4 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................................45
4.2

Kết quả mô phỏng và tính toán ................................................................................ 46

4.2.1 Kết quả tính toán với {Rf = 0  ; mức tải 20%} .....................................................46
4.2.2 Kết quả tính toán với {Rf = 0  ; mức tải 50%} .....................................................47
4.2.3 Kết quả tính toán với {Rf = 0  ; mức tải 100%} ...................................................49
4.2.4 Kết quả tính toán với {Rf = 5  ; mức tải 20%} .....................................................50
4.2.5 Kết quả tính toán với {Rf = 5  ; mức tải 50%} .....................................................52
4.2.6 Kết quả tính toán với {Rf = 5  ; mức tải 100%} ...................................................53
4.2.7 Kết quả tính toán với {Rf = 10  ; mức tải 20%} ...................................................55
4.2.8 Kết quả tính toán với {Rf = 10  ; mức tải 50%} ...................................................56
4.2.9 Kết quả tính toán với {Rf = 10  ; mức tải 100%} .................................................58

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG
TƢƠNG LAI............................................................................................................62
5.1
Kết luận .................................................................................................................... 62
5.2
Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .............................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................64
PHỤ LỤC ............................................................................................................................65
Lập trình Matlab .................................................................................................................. 65

ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham
khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí,
bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Văn Hưng

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DFRs

(Digital Fault Recorders): Thiết bị ghi sự cố

MC

Máy cắt

CT

Máy biến dòng điện

CVT

Máy biến điện áp

DCL

Dao cách ly

SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition)
Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu.

GPS

(Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu

DC

(Direct Curent) Dòng điện một chiều

TTK

Thứ tự không

TTT

Thứ tự thuận

TTN

Thứ tự nghịch

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp
Hình 2 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây sự cố
Hình 3 Sơ đồ minh họa phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố
Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đƣờng dây
Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách
Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ
Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha
Hình 8 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất

Hình 9 Ảnh hƣởng của điện trở sự cố trong sự cố chạm đất
Hình 10 Ảnh hƣởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo đƣợc
Hình 11 Ảnh hƣởng của tƣơng hỗ giữa các đƣờng dây song song
Hình 12 Đƣờng dây song song toàn tuyến
Hình 13 Đƣờng dây song song một phần
Hình 14 Ảnh hƣởng của hệ số phân bố dòng điện đến sự làm việc của bảo vệ
Hình 15 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp
Hình 16 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây sự cố
Hình 17 Minh họa nguyên lý phƣơng pháp định vị sự cố
Hình 18 Mô hình đƣờng dây truyền tải gồm 3 loại đƣờng dây khác nhau
Hình 19 Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch
Hình 20 Sơ đồ thay thế thứ tự nghịch khi xảy ra sự cố tại F
Hình 21 Phân bố điện áp thứ tự nghịch tính từ đầu A tới
Hình 22 Phân bố điện áp thứ tự nghịch tính từ đầu D tới
Hình 23 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây
Hình 24 Điện áp tính tới từ một phía luôn lớn hơn hoặc nhỏ hơn khi tính từ phía còn lại
với đoạn không sự cố
Hình 25 So sánh điện áp TTN tại đoạn sự cố
Hình 26 Mô hình rút gọn khi đã xác định đƣợc đoạn dây sự cố
Hình 27 Mô hình tính toán với đƣờng dây bị sự cố
Hình 28 Mô hình tính toán áp dụng khi đƣờng dây bị sự cố ba pha
Hình 29 Giao diện chính của Matlab
Hình 30 Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh
Hình 31 Lƣu đồ thuật toán đƣợc sử dụng
Hình 32 Sơ đồ đƣờng dây 220 kV Nho Quan – Thanh Hóa
Hình 33 Sơ đồ mô phỏng trong PSCAD
Hình 34 Sơ đồ mô phỏng điểm lấy mẫu trong PSCAD

v

4
5
7
8
12
13
15
15
17
19
20
21
21
21
24
24
27
28
28
29
30
31
32
32
33
34
35
37
40
41

42
42
44
45


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Hình 35 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 0 ;
mức tải 20%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 36 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 0 ;
mức tải 50%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 37 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 0 ;
mức tải 100%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 38 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 5 ;
mức tải 20%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 39 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 5 ;
mức tải 50%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 40 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 5 ;
mức tải 100%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 41 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 10
; mức tải 20%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 42 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 10
; mức tải 50%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}
Hình 43 Phân bố điện áp TTN tính từ đầu A và D tới các nút đƣờng dây với {Rf = 10
; mức tải 100%; khoảng cách sự cố cách nút B 15 km}

vi

47

48
50
51
53
54
56
57
59


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Bảng tổng hợp thống kê sự cố ................................................................................... 9
Bảng 2 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lƣờng tƣơng ứng ............................... 14
Bảng 3 Thông số các phần tử sử dụng trong mô phỏng ...................................................... 43
Bảng 4 Kết quả tính toán với các kịch bản mô phỏng khác nhau ........................................ 60

vii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

MỞ ĐẦU
Lƣới điện truyền tải điện ngày càng đƣợc đầu tƣ và phát triển nhằm đáp ứng
nhu cầu điện phục vụ phát triển kinh tế xã hội của đất nƣớc. Trong quá trình vận
hành, các sự cố trên đƣờng dây có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào, tại bất cứ
vị trí nào và do nhiều lý do gây nên. Các sự cố đòi hỏi phải đƣợc cô lập càng
nhanh càng tốt để đảm bảo sự ổn định của hệ thống và hạn chế các tác hại của
dòng ngắn mạch… Ở Việt Nam hiện nay, xác định chính xác tọa độ, vị trí điểm

sự cố là công việc khó khăn, tốn nhiều công sức và thời gian của lực lƣợng quản
lý vận hành đƣờng dây truyền tải điện. Trong đó thông tin vị trí sự cố góp vai trò
rất quan trọng trong quản lý vận hành và sửa chữa lƣới truyền tải điện. Việc xác
định chính xác vị trí điểm sự cố giúp giảm bớt nhân công cần thiết để đi tìm
điểm sự cố trên đƣờng dây và trong trƣờng hợp sự cố kéo dài, sẽ giúp nhanh
chóng thay thế, sửa chữa các thiết bị bị hƣ hỏng và nhanh chóng phục hồi cấp
điện trở lại.
Có rất nhiều phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để xác định điểm sự cố, tùy theo
đối tƣợng là đƣờng dây truyền tải hay xuất tuyến lƣới phân phối hoặc là đƣờng
cáp. Đối với đƣờng dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công cụ vừa
làm nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên đƣờng
dây. Tuy nhiên các rơle khoảng cách hoạt động dựa trên tín hiệu đo lƣờng chỉ tại
một đầu, do đó kết quả định vị điểm sự cố thƣờng bị sai lệch do bị ảnh hƣởng
của rất nhiều yếu tố. Trong nhiều trƣờng hợp sai số có thể lên tới hàng chục km
và điều này sẽ gây khó khăn cho các công tác khắc phục sau sự cố.
Phƣơng pháp định vị điểm sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng thu thập đƣợc từ
hai đầu đƣờng dây (là các bản ghi sự cố trong rơle trang bị tại hai đầu) có đồng
bộ về mặt thời gian. Phƣơng pháp này thể hiện có nhiều ƣu việt hơn hẳn so với
phƣơng pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu một phía. Tuy nhiên trở ngại lớn nhất
khi áp dụng với điều kiện của Việt Nam là đƣờng dây thƣờng không đồng nhất
viii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

về chủng loại dây, một đƣờng dây có thể gồm 2 hoặc 3 loại dây ghép từng đoạn
với nhau. Do đó nội dung luận văn đi sâu phân tích giải pháp định vị sự cố
đƣờng dây tải điện không đồng nhất dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ hai đầu.
Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho các loại đƣờng dây khác nhau nhƣ
đƣờng dây trên không, đƣờng cáp ngầm, đƣờng dây hỗn hợp gồm cả trên không

và cáp ngầm, hoặc đƣờng dây có nhiều chủng loại dây ghép hỗn hợp.
Kết quả nghiên cứu đƣợc mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đƣờng
dây 220kV Nho Quan – Thanh Hóa, đây là tuyến đƣờng dây trên không sử dụng
các loại dây dẫn khác nhau. Các tính toán cùng với kết quả mô phỏng đã chứng
minh các ƣu điểm của thuật toán này.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chƣơng 1: Giới thiệu chung về vai trò quan trọng của việc cần nâng cao
độ chính xác trong định vị sự cố, đặc biệt đối với lƣới điện truyền tải. Mô
tả sơ lƣợc về ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp định vị sự cố trên
đƣờng dây truyền tải.
 Chƣơng 2: Giới thiệu nguyên lý định vị điểm sự dựa theo tín hiệu dòng
điện và điện áp đo lƣờng đƣợc tại một phía (nguyên lý đƣợc áp dụng
trong các rơle bảo vệ khoảng cách). Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính
xác của phƣơng pháp này.
Đồng thời chƣơng này cũng giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo
tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng dây. Các ƣu, nhƣợc điểm của
phƣơng pháp này và sự cần thiết phải có phƣơng pháp định vị sự cố khi
đƣờng dây không đồng nhất.
 Chƣơng 3: Phân tích chi tiết phƣơng pháp định vị sự cố đối với đƣờng
dây tải điện không đồng nhất với tín hiệu thu thập đồng bộ từ hai đầu.
 Chƣơng 4: Mô phỏng áp dụng nguyên lý định vị đã đƣợc đề xuất với
tuyến đƣờng dây 220kV Nho Quan – Thanh Hóa. Phần mô hình đƣờng

ix


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

dây và mô phỏng sự cố đƣợc thực hiện bằng phần mềm PSCAD, các tính
toán xử lý tín hiệu sau đó đƣợc thực hiện bằng MATLAB.

 Chƣơng 5: Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

x


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
1.1 Ý nghĩa của việc định vị chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện
Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đƣờng dây tải điện mang một ý
nghĩa rất quan trọng trong quản lý vận hành và sửa chữa đƣờng dây. Tính đến tháng
2 năm 2014 đƣờng dây tải điện của Việt Nam đã có chiều dài rất lớn gồm 5.600 km
đƣờng dây 500 kV và gần 12.000 km đƣờng dây 220 kV. Các nguyên nhân sự cố
xảy ra rất đa dạng trong thực tế vận hành và đƣờng dây tải điện đi qua những khu
vực ít dân cƣ hoặc đồi núi cao hiểm trở cho nên việc ứng dụng định vị sự cố trong
hệ thống tải điện là rất cần thiết. Định vị sự cố giúp :
-

Phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua và sự cố duy trì
giảm đƣợc nhân công, nhân lực tìm kiếm sự cố. Hiện nay tìm sự cố là một
công việc tốn rất nhiều công sức đặc biệt các sự cố ngắn mạch pha – pha
thoáng qua nhân viên vận hành phải ra dây thủ công để tìm điểm bị sự cố rất
nguy hiểm, cắt điện đƣờng dây dài ngày và tốn kém.

-

Định vị đƣợc sự cố giúp tìm ra nguyên nhân sự cố để có biện pháp khắc
phục, phòng ngừa các sự cố tiếp theo. Đặc biệt với các đƣờng dây gồm cả
đƣờng dây trên không và cáp ngầm không cho phép tự động đóng lại, tuy

nhiên khi xác định nhanh đoạn bị sự cố thuộc đoạn đƣờng dây trên không có
thể cho đóng lại nhằm đảm bảo cung cấp điện.

-

Với những sự cố vĩnh cửu, việc xác định chính xác điểm sự cố có thể giúp
khắc phục sự cố nhanh do giảm đƣợc thời gian tìm sự cố (thông thƣờng để
phát hiện ra sự cố phải mất từ 1 đến 2 giờ do công nhân phải di chuyển, rải
quân và có khi còn lâu hơn do địa hình phức tạp trong điều kiện mƣa, lũ).
Khi xác định nhanh đƣợc điểm sự cố có thể giúp nhà quản lý nhanh chóng
đƣa ra phƣơng án xử lý sự cố phù hợp với điều kiện địa hình, đặc điểm cúa
khu vực sự cố do đó giảm nhân lực, tài chính, và quan trọng nhất là nhanh
chóng cung cấp điện cho phụ tải trong một khu vực rộng.
1


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã đƣợc nghiên cứu
trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lƣới truyền
tải. Lƣới truyền tải đƣợc quan tâm vì mức độ ảnh hƣởng của nó tới hệ thống lớn
hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi
để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lƣới phân phối.
Hiện nay các đƣờng dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thƣờng đƣợc
trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây.
Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách
báo vị trí với một mức sai số tƣơng đối lớn (có thể tới hàng chục km). Điều này xảy
ra do nguyên lý định vị sự cố đƣợc sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa vào tín
hiệu đo lƣờng tại chỗ, do đó chịu ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài [1].
Các rơle so lệch dọc hiện đại đã đƣợc tích hợp thêm chức năng định vị điểm sự

cố và có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, điều này là hoàn toàn thực tế
vì các rơle loại này thƣờng có thể sử dụng nguyên lý định vị sự cố dựa trên tín hiệu
đo lƣờng từ hai đầu đƣờng dây. Nhƣng hầu hết trong các tài liệu rơle này đều không
đề cập đến thuật toán và phƣơng pháp xác định điểm sự cố. Bên cạnh đó một số
trạm đã trang bị các bộ ghi sự cố chuyên dụng. Đây chính là các cơ sở dữ liệu quan
trọng phục vụ cho công tác xử lý tín hiệu sau sự cố, giúp không chỉ nâng cao độ
chính xác định vị mà còn hỗ trợ các kỹ sƣ trong công tác phân tích sự cố.
Tuy nhiên, trong điều kiện Việt Nam một số tuyến đƣờng dây có chủng loại
dây dẫn không đồng nhất hoặc một số tuyến hỗn hợp gồm cả cáp ngầm và đƣờng
dây trên không, điều này xảy ra là do quá trình cải tạo phát triển thêm sau này của
các tuyến đƣờng dây đó. Với đƣờng dây không đồng nhất thì tổng trở đƣờng dây
đƣợc khai báo trong các rơle sẽ không chính xác, và thực tế các rơle khoảng cách
hiện nay vẫn chƣa cho phép khai báo đƣờng dây có nhiều loại dây khác nhau. Vì
vậy việc định vị điểm bị sự cố chắc chắn bị sai lệch.
Xuất phát từ thực tế đó, cần đề xuất, phân tích giải pháp để định vị sự cố áp
dụng cho đƣờng dây tải điện loại không đồng nhất với các tín hiệu đo lƣờng từ hai
2


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

đầu. Các tín hiệu đo này đƣợc giả thiết là đồng bộ do hiện nay nhiều trạm đã đƣợc
lắp đặt các đồng hồ GPS.
1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải
Có nhiều phƣơng pháp định vị sự cố đã đƣợc đề xuất áp dụng đối với đƣờng
dây truyền tải điện, mỗi phƣơng pháp đều có ƣu nhƣợc điểm riêng và có phạm vi áp
dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đƣờng dây, sơ lƣợc có thể
thấy có các phƣơng pháp định vị sau đây:
-

Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía của đƣờng dây.

-

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả hai phía của đƣờng dây.

-

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả ba phía của đƣờng dây

-

Định vị sự cố dựa trên hiện tƣợng sóng lan truyền.

1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách thông
dụng [1, 2]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở
đo đƣợc. Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle sẽ tác động và ngƣợc
lại. Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc xác định dựa theo tỷ số của điện kháng đo
đƣợc và điện kháng của một đơn vị chiều dài đƣờng dây:
Lsc (km) 

xdo
x1km

(1.1)

Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp này:
-

Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lƣờng đƣợc thu thập tại chỗ, không yêu cầu
truyền tín hiệu từ đầu đối diện.

-

Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập đƣợc của các
rơle tại hai đầu.

-

Sai số trong phạm vi chấp nhận đƣợc đối với sự cố pha - pha (theo thực tế
vận hành).

-

Tuy nhiên độ chính xác của phép đo bị ảnh hƣởng của nhiều yếu tố:
-

Ảnh hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố.
3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

-

Ảnh hƣởng của tải trƣớc sự cố trên đƣờng dây.

-

Ảnh hƣởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác
cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện
đo đƣợc tại vị trí đặt rơle).

-

Ảnh hƣởng của hỗ cảm do các đƣờng dây chạy song song gây ra.

-

Tổng trở thứ tự không của đƣờng dây thƣờng không thể xác định
đƣợc chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất
(đây lại là loại sự cố thƣờng xảy ra đối với lƣới truyền tải và hệ thống
điện nói chung).

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
Phƣơng pháp này sử dụng tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu của đƣờng dây tải
điện [3]. Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải đƣợc đồng bộ về mặt thời gian.
Với các trạm có trang bị hệ thống đồng hồ dựa theo tín hiệu GPS thì việc đồng bộ
về mặt thời gian đã đƣợc giải quyết, tuy nhiên với hiện trạng tại Việt Nam thì số
lƣợng trạm đƣợc trang bị đồng hồ GPS chƣa nhiều nên phƣơng pháp này sẽ gặp
nhiều trở ngại.
Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu hai đầu:
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đƣờng dây
AB nhƣ trong Hình 1.
A

IA

IB

x

B

(1-x)
IF

RF

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

4


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đƣờng dây trên trong trƣờng
hợp sự cố nhƣ trên Hình 2
IA

x*ZD

(1-x)*ZD

IB

A

B

IF

UA

UF

RF

UB

Hình 2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai trạm đƣợc đồng bộ về
mặt thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:

UF  U A  I A * x * ZD

(1.1)

U F  U B  I B *(1  x) * Z D

(1.2)

Trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đƣờng dây AB
Trừ hai phƣơng trình cho nhau:

U A  U B  I B * Z D  x * Z D *( I A  I B )

(1.3)

Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc tính ra từ phƣơng trình trên:

x

U A UB  IB * ZD
ZD * (I A  I B )

(1.4)

Phƣơng trình trên có thể áp dụng cho mọi trƣờng hợp sự cố. Tuy nhiên, tùy
theo dạng sự cố mà lựa chọn tổ hợp dòng điện và điện áp thích hợp. Ví dụ, với sự
cố chạm đất một pha (N(1)) thì điện áp sử dụng là của pha A, tuy nhiên dòng điện
đƣa vào tính toán cần phải bù thành phần thứ tự không. Trong thực tế, rất khó xác
định đúng điện kháng thứ tự không của đƣờng dây, do đó việc tính toán hệ số bù
dòng thứ tự không sẽ không chính xác và có thể gây sai số cho phép định vị.
5


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Để tránh trƣờng hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần
dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự
nghịch chỉ áp dụng đƣợc với các sự cố không đối xứng).
Phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu
đƣờng dây có ƣu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:
o Không bị ảnh hƣởng của tổng trở nguồn.
o Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phƣơng trình tính toán khoảng
cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết
quả định vị sự cố.

Trong thực tế còn nhiều biến thể của phƣơng pháp này, tùy theo tín hiệu đo
lƣờng có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đƣờng dây hay
không…
1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền
Phƣơng pháp truyền sóng dựa trên nguyên tắc thành phần sóng phản xạ khi
gặp điểm sự cố của đƣờng dây tải điện [4]. Cách thực hiện của phƣơng pháp sóng
lan truyền là đo thời gian lan truyền của sóng lấy kết quả từ sự xuất hiện của một sự
cố trên đƣờng dây tải điện. Phƣơng pháp sử dụng dữ liệu điện áp hoặc dòng điện
hoặc sử dụng máy phát truyền tạm thời. Thông tin thu thập ở đây có thể là thời điểm
sóng phản xạ lần thứ nhất, thời gian sóng chạy tới cuối đƣờng dây... Phƣơng pháp
này đòi hỏi phải đồng bộ hóa thời gian cực kỳ chính xác khi vị trí sự cố đƣợc xác
định bởi thời gian của sóng sự cố trên đƣờng dây tải điện, hoặc ở nhiều vị trí trên hệ
thống điện. Kinh nghiệm vận hành cho thấy phƣơng pháp này có độ chính xác cao
và khả năng các sự cố đƣợc định vị một cách liên tục.
Lấy một ví dụ với đƣờng dây tải điện một pha (giả thiết không tổn hao với
các thành phần tần số cao sóng lan truyền) với chiều dài l, vận tốc sóng lan truyền v,
điện dung và điện cảm trên một đơn vị chiều dài C’, L’ và tổng trở sóng Zc. Giả sử

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

việc xuất hiện một sự cố ở một khoảng cách lF tính tới nguồn A, các giá trị điện áp
và dòng điện đƣợc mô tả trong biểu thức (1.5) và (1.6).
Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây đƣợc minh họa trên Hình 3.
l
lF
er

ef

A

B
Điểm sự cố

Hình 3 Sơ đồ minh họa phương pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố
e
i
  L '.
l F
t

(1.5)

i
e
 C '.
l F
t

(1.6)

e(lF,t) = ef (lF - vt) + er (lF + vt)

(1.7)

Giải ra ta có :

i(lF,t) =

1
1
ef (lF - vt) +
er (lF + vt)
ZC
ZC

(1.8)

Thời điểm sóng lan truyền tới hai đầu A và B là A và B đƣợc xác định bằng
cách sử dụng công nghệ GPS (Global Positioning System), vị trí sự cố đƣợc xác
định theo phƣơng trình (1.9)
lF =

1
(l + (A - B).v)
2

(1.9)

Trong đó :
-

ef : Sóng điện áp thuận chạy trên đƣờng dây

-

er : Sóng điện áp ngƣợc chạy trên đƣờng dây

-

A : Thời điểm sóng tới đầu A
7


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

-

B : Thời điểm sóng tới đầu B

-

l: Chiều dài đoạn đƣờng dây.

-

v: Tốc độ truyền sóng, v =

1
L '.C '

Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Phƣơng pháp này có đặc điểm là :
- Phải có các thiết bị ghi tín hiệu đƣợc đồng bộ thời gian với độ chính xác cao,
chỉ một sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng cách tính
đƣợc.

- Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận
các tín hiệu xung phản xạ.
- Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín
hiệu mong muốn. Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu điện từ
ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu., không áp dụng đối với sự cố
chập chờn, đứt dây không gây chạm đất hay tụt lèo.
Căn cứ theo [4], hiện tại ngành điện một số nƣớc trên thế giới đã ứng dụng
công nghệ xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp lan truyền nhƣ các hãng Qualitrol
8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

(Hathaway Instruments Division – Anh), Nippon (Nhật Bản), Kinkei (Nhật Bản) và
Isa (Italia). Độ chính xác đạt đƣợc tƣơng đối cao, sai số trong phạm vi một vài
khoảng vƣợt, tùy thuộc vào thiết bị của từng hãng chế tạo. Nói chung các hãng đều
đƣa ra sai số lý thuyết về xác định điểm sự cố không lớn hơn 500m, nhƣng thực tế,
độ chính xác còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thực tế lắp đặt và vận hành, đặc
biệt phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy công nghệ của từng hãng. Tại Việt Nam,
việc áp dụng công nghệ định vị sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng đã đƣợc triển
khai thử nghiệm trên một số tuyến đƣờng dây truyền tải điện áp 500kV nhƣ đƣờng
dây 500 kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng, hay đƣờng dây 220 kV Hà Giang - Thái Nguyên
mạch 1 và 2... Đƣờng dây Hà Giang - Thái nguyên mạch 2 với chiều dài 231,4 km
sử dụng thiết bị Nippon của Nhật Bản. Sau khi đƣa vào thử nghiệm, một số kết quả
đƣợc thống kê nhƣ sau :
Bảng 1 Bảng tổng hợp thống kê sự cố

TT

Tên đường

dây

Thời điểm
sự cố

Khoảng cách sự
cố theo BVKC

1

ĐZ 220kV
Hà Giang Thái
Nguyên 2
(274E22.4 274E6.2)

13h33,
ngày
21/06/2012

Sự cố pha B:
*Trạm Hà Giang
d= 238,7 km.
*Trạm Thái
Nguyên d= 85km.

2

ĐZ 220kV
Hà Giang Thái
Nguyên 2

(274E22.4 274E6.2)

14h45,
ngày
23/7/2012

Sự cố pha B:
*Trạm Hà Giang
d= 129,7 km.
*Trạm Thái
Nguyên d= 86,44
km.

3

ĐZ 220kV
Hà Giang Thái
Nguyên 2
(274E22.4 274E6.2)

20h18 ngày
10/8/2012

Sự cố pha B:
*Trạm Hà Giang
d=156,8 km.
*Trạm Thái
Nguyên d=99,7
km.

4

ĐZ 220kV

20h50 ngày

Sự cố pha A:

9

Khoảng cách
sự cố theo TB
định vị sự cố
Nippon

Vị trí tìm được
thực tế

VT 143
(164,134 km
từ trạm HG).

Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
164,134 km (Tại
vị trí 143)

VT 61
(126,028 km

từ trạm HG).

Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
125,063 km
(Tại vị trí 59)

VT 69
(129,466 km
từ trạm HG).

VT 78

Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
129,466 km
(Tại vị trí 69)
Khoảng cách từ


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Hà Giang Thái
Nguyên 2
(274E22.4 274E6.2)

5

10/8/2012

ĐZ 220kV
Hà Giang 21h00 ngày
Thái
Nguyên 2 08/ 07/2013
(274E22.4 274E6.2)

*Trạm Hà Giang
d= 164,1 km.
*Trạm Thái
Nguyên
d=124,8km.
Sự cố pha A,B:
* Trạm Hà Giang
d= 9,66 km.
* Trạm Thái
Nguyên d=241,2
km.

(134,709 km
từ trạm HG).

VT 17
(7,303km từ
trạm HG).

trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
135,139 km

(Tại vị trí 79)
Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
6,84km (Tại vị
trí 16)

Từ bảng trên cho thấy việc xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp truyền
sóng cho kết quả khá chính xác, tuy nhiên kết quả còn phụ thuộc rất nhiều vào công
nghệ của từng hãng, điều kiện áp dụng thực tế với từng đƣờng dây cụ thể.
Ngoài ra, cũng trong nhóm các phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền còn có
các giải pháp sử dụng không chỉ thời gian sóng lan truyền mà còn cả hình dạng của
các sóng phản xạ để xác định vị trí và các thông số khác của sự cố. Đây là phƣơng
pháp TDR (Time-Domain Reflecometer).
Định vị sự cố bằng sóng lan truyền là một công nghệ tiên tiến, kinh tế đã
đƣợc áp dụng trong ngành điện ở rất nhiều nƣớc trên thế giới. Công nghệ này đã
đƣợc ứng dụng cho hệ thống lƣới điện trung áp và đặc biệt sử dụng cho tất cả các
ngăn lộ của hệ thống điện truyền tải. Thiết bị định vị sự cố bằng sóng lan truyền
giúp nhà quản lý nắm đƣợc chính xác và nhanh nhất vị trí điểm sự cố trên các
đƣờng dây, qua đó có xử lý nhanh sự cố, giảm chi phí nhân lực tìm kiếm, giảm
phƣơng tiện đi lại, nâng cao khả năng xử lý sự cố, rút ngắn thời gian mất điện của
hệ thống, tăng khả năng vận hành an toàn, tin cậy cho hệ thống điện trung áp, cao
áp và siêu cao áp.
Mặc dù định vị sự cố theo kỹ thuật sóng lan truyền có thể rất chính xác, có
một số vấn đề có thể ảnh hƣởng đến tính chính xác về đo lƣờng hoặc kết quả trong
tính toán. Sự cố thoáng qua là một ví dụ điển hình. Lỗi này xảy ra khi có nhiều sự
cố thoáng qua hoặc chúng xuất hiện giống nhau.
10

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Một số nghiên cứu khác cũng đã đề xuất tới việc sử dụng tín hiệu đo lƣờng
chỉ từ một phía đƣờng dây. Khoảng cách sự cố đƣợc tính toán ra dựa trên thời gian
giữa hai lần phản xạ giữa hai lần liên tiếp của tín hiệu tại một đầu đƣờng dây
(nguyên lý tính toán gần tƣơng tự).

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

CHƯƠNG 2 ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO
LƯỜNG TỪ MỘT PHÍA
2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một phía.
2.1.1 Nguyên lý làm việc
Các rơle bảo vệ khoảng cách đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay hoạt động theo
nguyên lý tổng trở thấp (Z<). Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ đƣợc đo thông qua
CT và CVT sau đó cấp tới rơle. Các rơle kỹ thuật số xử lý tín hiệu này và thực hiện
các phép tính toán để xác định tổng trở đo đƣợc trong các chế độ bình thƣờng cũng
nhƣ sự cố.
ZD

Phía hệ
thống

Zsự cố

IR

UR

Zphụ tải

Z<

Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách

Giá trị tổng trở đo đƣợc sẽ đƣợc sử dụng để xác định điểm làm việc của rơle
trên mặt phẳng tổng trở, nếu điểm làm việc này thuộc vùng tác động (vùng I, vùng
II hoặc vùng III…) thì rơle sẽ khởi động các bộ đếm thời gian tƣơng ứng. Trong chế
độ vận hành bình thƣờng điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động
(Hình 6).

12


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ

Dựa theo giá trị điện kháng đo đƣợc, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí
đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:
Lsc (km) 

xdo
x1km

[2.1]

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có
tên gọi là bảo vệ khoảng cách.
Trong các rơle khoảng cách hiện đại thì chức năng định vị sự cố hoạt động
độc lập với chức năng bảo vệ. Các mẫu dòng điện và điện áp sử dụng để tính toán
khoảng cách đƣợc thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trƣớc thời điểm cắt máy cắt
để tránh các nhiễu loạn ảnh hƣởng đến độ chính các của định vị. Giá trị khoảng
cách tính toán đƣợc là kết quả trung bình của nhiều lần tính toán dựa theo số mẫu
thu thập đƣợc.
Lý do sử dụng điện kháng trong tính toán vị trí điểm sự cố là để tránh ảnh
hƣởng của hồ quang tại điểm sự cố. Hồ quang có tính chất điện trở, nếu sử dụng giá
trị tổng trở để tính khoảng cách thì giá trị tổng trở này bị ảnh hƣởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán đƣợc.
2.1.2 Các mạch vòng tính toán tổng trở
Tổng trở đƣợc rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tƣơng ứng với các sự cố
pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C – E [2]. Với sự cố pha pha hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lƣờng
13