Phân tích và mô phỏng các phương pháp đồng bộ tín hiệu đo lường tại

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................. 1
1.1

Tổng quan về định vị sự cố trên đường dây tải điện ............................................... 1

1.2

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một đầu đường dây ............................ 2

1.2.1

Nguyên lý làm việc .......................................................................................... 3

1.2.2

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác .......................................................... 6

1.2.1

Nhận xét ưu, nhược điểm ............................................................................... 11

1.3

Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía ..................... 122

1.3.1

Định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây ....................... 122

1.3.2

Nhận xét ưu, nhược điểm ............................................................................... 13

1.4

Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền ........................... 14

1.4.1

Nguyên lý định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền ....................... 14

1.4.2

Nhận xét ưu, nhược điểm ............................................................................... 15

1.5

Tổng kết và đề xuất hướng nghiên cứu ................................................................. 16

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG THU ĐƯỢC

TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY .......................................................................................... 17
2.1

Khái niệm góc đồng bộ khi xử lý tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây .......... 17

2.1.1

Sự cần thiết phải đồng bộ tín hiệu đo lường .................................................. 17

2.1.2

Khái niệm về góc đồng bộ ............................................................................. 17

2.2

Các phương pháp đồng bộ tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây ..................... 20

2.2.1

Giới thiệu chung về các phương pháp đồng bộ tín hiệu ................................ 20

2.2.2

Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường đầy đủ tại hai đầu đường dây –

Thông tin trước sự cố ................................................................................................... 22
2.2.3

Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường không đầy đủ tại hai đầu đường

dây – Thiếu tín hiệu dòng điện từ một phía ................................................................. 24
2.2.4

Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường không đầy đủ tại hai đầu đường

dây – Thiếu tín hiệu điện áp từ một phía ..................................................................... 25

i


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

2.2.5

Đồng bộ tín hiệu dựa trên thông tin đo lường trong khi sự cố....................... 26

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN

HIỆU ĐO LƯỜNG TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY ......................................................... 29
3.1

Công cụ sử dụng và thông số mô hình trong mô phỏng ....................................... 29

3.1.1

Công cụ sử dụng ............................................................................................ 29

3.1.2

Thông số của sơ đồ mô phỏng ....................................................................... 32

3.2

Kịch bản mô phỏng và chuẩn bị số liệu ................................................................ 34

3.2.1

Kịch bản mô phỏng ........................................................................................ 34

3.2.2

Sơ đồ khối của thuật toán tính toán ............................................................... 36

3.3

Kết quả mô phỏng và nhận xét .............................................................................. 37

3.3.1

Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trước sự cố ................... 38

3.3.2

Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trong khi sự cố............. 40

3.3.3

Kết quả mô phỏng với thuật toán sử dụng thông tin trong khi sự cố - Sử dụng

tín hiệu dòng điện và điện áp chưa ổn định ................................................................. 41
3.3.4

Nhận xét chung ............................................................................................ 433

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................................... 44
4.1

Kết luận ................................................................................................................. 44

4.2

Hướng nghiên cứu trong tương lai ........................................................................ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 46
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 47
Lập trình Matlab tính toán đồng bộ tín hiệu theo các thuật toán khác nhau .................... 47

ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

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

Tác giả

Vũ Văn Khuyến

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - pha ....................... 4
Hình 2 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - đất ....................... 5
Hình 3 Đặc tính tác động của rơle bảo vệ khoảng cách 7SA6x của hãng Siemens ............... 5
Hình 4 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp ..................................................... 7
Hình 5 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được ................................... 8
Hình 6 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song .......................................... 9
Hình 7 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến sự làm việc của bảo vệ .................... 10
Hình 8 Sơ đồ nguyên lý của đường dây hai nguồn cấp bị sự cố .......................................... 12
Hình 9 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố ........................................................................ 12
Hình 10 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện sự cố trên đường dây ..................... 15
Hình 11 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu........................................................ 17
Hình 12 Trường hợp tín hiệu đo lường được đồng bộ ......................................................... 18
Hình 13 Trường hợp tín hiệu đo lường không được đồng bộ .............................................. 18
Hình 14 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và tính toán đồng bộ dữ liệu ............................... 20
Hình 15 Dạng sóng dòng điện ghi nhận được bởi các rơle thực tế...................................... 21
Hình 16 Các phương pháp tính toán góc đồng bộ ............................................................... 22
Hình 17 Sơ đồ thay thế hình π của đường dây sử dụng thông số rải ................................... 23
Hình 18 Dạng sóng dòng điện khi BI bị bão hòa................................................................. 25
Hình 19 Đường dây hai nguồn cấp bị sự cố trên đường dây ............................................... 27
Hình 20 Sơ đồ thông số rải thay thế của đường dây khi bị sự cố ........................................ 27

Hình 21 Sơ đồ khối về việc kết hợp các công cụ phần mềm ............................................... 29
Hình 22 Giao diện của phần mềm PSCAD.......................................................................... 30
Hình 23 Giao diện chính của Matlab .................................................................................. 32
Hình 24 Giao diện của cửa sổ soạn thảo các lệnh................................................................ 32
Hình 25 Sơ đồ mô phỏng đường dây hai nguồn cấp trong PSCAD .................................... 33
Hình 26 Dạng sóng điện áp từ hai đầu S và R thu được trước và trong khi sự cố .............. 35
Hình 27 Dạng sóng dòng điện thu được từ đầu S và R trước và trong khi sự cố ................ 35
Hình 28 Dữ liệu sau khi chuyển sang file Excel .................................................................. 35
Hình 29 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 1 mẫu .................................................. 36
Hình 30 Dữ liệu hai đầu S & R được cố ý lấy lệch 2 mẫu .................................................. 36
Hình 31 Sơ đồ thuật toán tính toán trong Matlab ................................................................ 37

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Hình 32 Mức độ ổn định của tín hiệu dòng điện trước và trong sự cố ................................ 38
Hình 33 Tính toán góc đồng bộ - Đầy đủ tín hiệu U & I ..................................................... 38
Hình 34 Tính toán góc đồng bộ - Thiếu dòng điện một phía............................................... 39
Hình 35 Tính toán góc đồng bộ - Thiếu điện áp một phía ................................................... 39
Hình 36 Tính toán góc đồng bộ - Thông tin trong khi sự cố ............................................... 40
Hình 37 Dòng điện sự cố trong giai đoạn chưa ổn định ...................................................... 41
Hình 38 Tính toán góc đồng bộ với thông tin trong khi sự cố chưa ổn định ....................... 41
Hình 39 Vị trí sự cố theo tính toán ...................................................................................... 42

v


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Các mạch vòng tính toán tổng trở của rơle khoảng cách ......................................... 3

vi


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

MỞ ĐẦU
Xác định chính xác vị trí sự cố của đường dây trên không phục vụ kiểm tra
sửa chữa là hết sức quan trọng đối với nhân viên vận hành cũng như nhân viên hệ
thống trong khắc phục sự cố. Việc xác định chính xác vị trí điểm sự cố giúp giảm
bớt nhân công cần thiết để đi tìm điểm sự cố trên đường dây và trong trường hợp sự
cố là duy trì, thì sẽ giúp nhanh chóng thay thế, sửa chữa các thiết bị bị hư hỏng và
nhanh chóng phục hồi cấp điện trở lại.
Có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định điểm sự cố, tùy theo
đối tượng là đường dây truyền tải hay xuất tuyến lưới phân phối hoặc là các đường
cáp. Đối với đường dây truyền tải, rơle bảo vệ khoảng cách là một công cụ vừa làm
nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện và định vị vị trí điểm sự cố trên đường dây. Tuy nhiên
các rơle khoảng cách hoạt động dựa trên tín hiệu đo lường chỉ tại một đầu, do đó kết
quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố.
Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây
thể hiện có nhiều ưu việt hơn hẳn so với phương pháp định vị chỉ dựa theo tín hiệu
một phía. Tuy nhiên trở ngại lớn nhất là các tín hiệu đo lường được tại hai đầu
đường dây thường không được đồng bộ về mặt thời gian, do đó không thể sử dụng
ngay để tính toán. Do đó luận văn đã đề xuất giải pháp để đồng bộ lại các tín hiệu
này phục vụ cho các tính toán định vị sự cố tiếp theo.
Kết quả nghiên cứu được mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đường
dây 500kV, các kết quả mô phỏng đã chứng minh tính đúng đắn của các thuật toán

được đề xuất.
Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 4 chương
 Chương 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 lưới điện truyền tải. Mô tả sơ
lược về ưu, nhược điểm của các các phương pháp định vị sự cố trên đường
dây truyền tải. Trong đó chú trọng đến phương pháp định vị dựa theo tín hiệu
đo lường từ hai phía và nêu ra sự cần thiết phải tính toán đồng bộ tín hiệu đo.

vii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

 Chương 2: Phân tích chi tiết các phương pháp tính toán đồng bộ lại tín hiệu
đo lường từ hai đầu đường dây. Các phương pháp đồng bộ lại tín hiệu này có
thể sử dụng các dữ liệu ghi nhận trước sự cố hoặc dữ liệu ghi nhận trong khi
sự cố. Tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây có thể là đầy đủ hoặc không
đầy đủ tùy theo từng phương pháp.
 Chương 3: Mô phỏng các thuật toán đồng bộ lại tín hiệu đo lường từ hai
phía. Mô hình được sử dụng là đường dây 500kV, do số lượng các sự cố một
pha chiếm phần lớn nên phần mô phỏng sẽ sử dụng dữ liệu của các sự cố một
pha được tạo ra. Các thông số liên quan đến sự cố như điện trở sự cố, dòng
tải trước sự cố, vị trí sự cố sẽ được thay đổi để kiểm chứng tính đúng đắn của
thuật toán. Phần mềm PSCAD được sử dụng để mô phỏng trong luận văn,
các tính toán xử lý tín hiệu được thực hiện bằng Matlab.
 Chương 4: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai.

viii

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Tổng quan về định vị sự cố trên đường dây tải điện
Việc xác định chính xác điểm sự cố trên đường dây tải điện mang một ý
nghĩa rất quan trọng trong quản lý vận hành. Định vị sự cố chính xác giúp phát hiện
nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua hoặc sự cố duy trì.
-

Sự cố thoáng qua có thể không gây thiệt hại nghiêm trọng, có thể được khắc
phục thông qua tự động đóng lại. Tuy nhiên xác định sớm và nhanh chóng
điểm bị hư hỏng sẽ giúp ngăn ngừa các sự cố tiếp theo có thể xảy ra.

-

Với những sự cố vĩnh cửu, việc không tìm ra chính xác điểm sự cố để khắc
phục nó mang lại rất nhiều điều phức tạp, hao tốn nhân lực, tốn kém tài
chính, và quan trọng nhất là ngừng cung cấp điện một thời gian dài, có thể
gây mất điện trong một khu vực rộng.
Định vị sự cố có thể được thực hiện thông qua nhiều thiết bị hoặc phương

pháp khác nhau như:
-

Là một chức năng tích hợp sẵn trong các rơle kỹ thuật số như rơle bảo vệ
khoảng cách hoặc rơle bảo vệ so lệch dọc đường dây.

-

Là một chức năng tích hợp sẵn trong các bộ ghi sự cố được lắp đặt tại các

trạm biến áp truyền tải.

-

Sử dụng các bộ định vị sự cố chuyên dụng, riêng biệt

-

Sử dụng máy tính cá nhân với phần mềm xử lý thông tin thu thập được sau
khi sự cố đã xảy ra (Post – fault analysis).

Giải pháp định vị sự cố bằng các rơle hoặc bộ ghi sự cố thường chi phí rẻ hơn do
các thiết bị được lắp đặt cho nhiều mục đích, sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn, tuy
nhiên độ chính xác của các phương pháp này không cao. Phương pháp sử dụng thiết
bị định vị sự cố riêng biệt như loại làm việc dựa trên nguyên lý sóng lan truyền có
độ chính xác cao hơn, tuy nhiên giá thành cho các loại thiết bị này là rất cao.
Vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã được nghiên cứu trong
nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lưới truyền tải. Lưới
truyền tải được quan tâm vì mức độ ảnh hưởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các

1


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

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 lưới phân phối.
Hiện nay các đường dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thường được
trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đường dây
[1]. 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 tương đối lớn (có thể tới hàng chục km). Điều
này xảy ra do nguyên lý định vị sự cố được sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa
vào tín hiệu đo lường tại chỗ, do đó chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài
[2].
Có nhiều thuật toán định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây
truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp
dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây, sơ lược có thể
liệt kê các phương pháp định vị sau đây:
o Định vị sự cố dựa theo tín hiệu tần số cơ bản 50Hz: phương pháp này có thể
chia nhỏ ra thành hai nhánh chính như sau
o Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường
dây: đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, và được tích
hợp trong các rơle bảo vệ khoảng cách hiện có.
o Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây
hoặc tín hiệu đo lường từ ba phía khi đường dây có rẽ nhánh.
o Định vị sự cố dựa theo tín hiệu tần số cao: đây là phương pháp dựa trên hiện
tượng sóng lan truyền (travelling wave) đối với mô hình đường dây sử dụng
thông số rải.
1.2 Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một đầu đường dây
Phương pháp này chính là thuật toán được sử dụng trong các rơle bảo vệ
khoảng cách thông dụng [3]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính
toán giá trị tổng trở đo được. Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle

2


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

sẽ tác động và ngược lại. Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định dựa theo tỷ
số của điện kháng đo được và điện kháng của một đơn vị chiều dài đường dây:

Lsc (km) 

xdo
x1km

1.2.1 Nguyên lý làm việc
Các rơle bảo vệ khoảng cách được sử dụng phổ biến hiện nay hoạt động theo
nguyên lý tổng trở thấp (Z<). Tín hiệu dòng điện và điện áp sẽ được đo thông qua
biến dòng điện và biến điện áp 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 được trong các chế độ bình
thường cũng như sự cố.
Các mạch vòng được sử dụng để tính toán tổng trở trong rơle như sau:
Tổng trở được rơle tính toán dựa trên 6 mạch vòng cơ bản tương ứng với các sự cố
pha - pha và pha - đất: A - B, B - C, C - A, A - E, B - E, C - E. Với sự cố pha - pha
hoặc pha - đất thì chỉ một trong các mạch vòng trên sẽ cho kết quả đo lường chính
xác (tổng trở thấp nhất), các mạch vòng khác sẽ cho kết quả tính toán lớn hơn. Với
sự cố khác có thể nhiều mạch vòng đo cùng cho ra kết quả chính xác.
Bảng 1: Các mạch vòng tính toán tổng trở của rơle khoảng cách
Loại sự cố

Sự cố pha – đất

Sự cố pha – pha

Sự cố 3 pha hay 3 pha – đất

Sự cố 2 pha – đất

Pha sự cố

Vòng lặp tính cho tổng trở

A-E

A–E

B-E

B–E

C-E

C–E

A–B

A–B

B–C

B–C

C–A

C–A

A – B – C (E)

A-B hoặc B-C hoặc C-A hoặc
A-E hoặc B-E hoặc C-E

A–B-E

A-B hoặc A-E hoặc B-E

B–C-E

B-C hoặc B-E hoặc C-E

C–A-E

C-A hoặc C-E hoặc A-E

3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

 Mạch vòng tính toán cho trường hợp sự cố pha – pha
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – pha được tính theo công
thức:
Z pha pha 

U pha pha U phaX  U phaY
R

 Z1  f
I pha pha
I phaX  I phaY
2

[1.1]

Trong đó: X, Y là hai pha bị sự cố và sơ đồ thay thế loại sự cố pha – pha được thể
hiện như Hình 1

IPha X

Z1
RF/2

UPha X - UPha Y

IPha Y

Z1

RF/2

Hình 1 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - pha

 Mạch vòng tính toán cho trường hợp sự cố pha – đất
Vòng lặp tính toán tổng trở cho trường hợp sự cố pha – đất được tính theo công
thức
U phaX
 Z1  Z N  R f
I phaX

[1.2]

U phaX
Rf
 Z1 
I phaX  K N I N
1 KN

[1.3]

Z phaE 

Z phaE 

Trong đó: X là pha bị sự cố, K là hệ số bù thành phần dòng điện thứ tự
không, IN là dòng điện dư bằng tổng dòng của các pha.
Thông thường hệ số bù thành phần thứ tự không được tính theo:
KN 

Trong đó:

Z N Z 0  Z1

Z1
3Z1

Z1 là tổng trở thứ tự thuận của đường dây
Z0 là tổng trở thứ tự không của đường dây

4

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất được thể hiện trong
Hình 2.

IPha X

UPha X

Z1
RF

IN

ZN

Hình 2 Sơ đồ thay thế mạch vòng tính toán tổng trở đối với sự cố pha - đất

Giá trị tổng trở đo được sẽ được 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 tương ứng. Trong chế
độ vận hành bình thường điểm làm việc sẽ nằm bên ngoài các đặc tính tác động
(Hình 3) [4].

Hình 3 Đặc tính tác động của rơle bảo vệ khoảng cách 7SA6x của hãng Siemens

Dựa theo giá trị điện kháng đo được, rơle sẽ tính toán ra khoảng cách từ vị trí
đặt điểm đo đến điểm sự cố theo công thức:

5

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Lsc (km) 

xdo duoc
x1km

[1.4]

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có
tên gọi là bảo vệ khoảng cách.
Giá trị điện kháng được sử dụng trong tính toán định vị sự cố là để tránh ảnh
hưởng 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 hưởng bởi điện trở hồ
quang và sẽ làm sai lệch vị trí sự cố tính toán được.
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của việc định vị sự cố của
phương pháp đo lường từ một phía có thể kể đến là:
-

Ảnh huởng của điện trở tại điểm sự cố.

-

Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố.

-

Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ do các đường dây chạy song song gây
ra

-

Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện.
Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố
Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng

điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện
trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trường hợp
sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này
cũng gây ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố.
Trong trường hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc
chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lưới điện. Khi sự
cố các pha với nhau điện trở sự cố thường nhỏ và không vượt quá vài ohm (). Tuy
nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất
của cột có thể tới 10  thậm chí cao hơn. Trường hợp đặc biệt điện trở sự cố còn
lớn hơn khi sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất
khô cứng. Như vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm.

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Xét ảnh hưởng của điện trở sự cố đến tổng trở đo được
Xét trường hợp sự cố pha - đất trên đường dây có hai nguồn cấp như Hình 4
Bus A

Bus B
UF

UA

IS

IR

RF
d

UB
1-d

Hình 4 Sự cố chạm đất trên đường dây có hai nguồn cấp

Điện áp tại thanh góp trạm A có thể được tính theo:
UA – dZLIA - RFIF = 0

[1.5]

Trong đó:
d: khoảng cách từ thanh góp A đến điểm sự cố F (d=0÷1)
ZL: tổng trở của đường dây AB
UA; IA: là điện áp và dòng điện đo được tại vị trí đặt rơle phía trạm A
IF: dòng điện tổng chạy qua điểm sự cố, với quan hệ
IF = I A + I B
Tổng trở rơle đo được: ZA =
ZA =

[1.6]

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

UA
I
= dZL + RF F
IA
IA

[1.7]

trong đó: ZA là tổng trở đo được bởi rơle đầu phía trạm A.
Thay thế IF = IA + IB vào phương trình [1.7] ta có
 I 
Z A  dZ L  RF 1  B   Z su co  K * RF
 IA 

[1.8]

Dựa theo phương trình [1.8] có thể thấy rằng, giá trị tổng trở của rơle đo
được ngoài tổng trở của đoạn đường dây bị sự cố còn kèm theo phần tổng trở phụ
thuộc vào điện trở tại điểm sự cố. Tùy theo góc lệch pha của dòng điện hai phía IA
& IB mà phần tổng trở kèm thêm này có thể thay đổi. Chi tiết như sau:

7


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)



Nếu dòng điện IA và IB trùng pha nhau hoàn toàn  giá trị K trong công

thức 1.8 là số thực: giá trị K*RF hoàn toàn thuần trở. Thành phần điện trở trong tổng
trở đo được sẽ bị sai khác với điện trở của phần đường dây bị sự cố do đã cộng
thêm thành phần này, trong khi đó thành phần điện kháng không bị ảnh hưởng. Do
đó khoảng cách đo được sẽ đúng với khoảng cách sự cố thực tế (vì phép xác định
khoảng cách chỉ dựa theo thành phần điện kháng theo công thức 1.4)


Nếu dòng điện IA và IB lệch pha nhau  giá trị K trong công thức 1.8 là số

phức: thì thành phần K*RF thể hiện như một tổng trở bao gồm thành phần điện trở
và điện kháng hoặc thành phần điện trở và điện dung (tùy theo dòng IB là sớm pha
hơn hay chậm pha hơn so với IA trong công thức [1.8]. Thành phần K*RF khi đó sẽ
ảnh hưởng cả tới giá trị điện kháng trong tổng trở mà rơle đo được, và do đó khoảng
cách tính toán được sẽ bị sai khác so với thực tế. Hình 5 thể hiện chi tiết quan hệ
này.

Hình 5 Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố đến tổng trở đo được
Trong đó:
a. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện thuần trở.
b. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện dung.
c. Điện trở tại điểm sự cố thể hiện như điện trở và điện kháng.

Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố
Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố, một
cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây
trong chế độ vận hành bình thường. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế
độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng

8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
Trong trường hợp đường dây chỉ có một nguồn cấp thì ảnh hưởng này là không cần
tính đến.
Ảnh hưởng của điện kháng tương hỗ của các đường dây song song
Trong lưới truyền tải điện hầu hết các đường dây vận hành đều song song và
đi chung cột. Các đường dây này có ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, ảnh hưởng này
sẽ là đáng kể trong trường hợp sự cố một pha chạm đất, dòng điện thứ tự không
(TTK) chạy trên đường dây lân cận sẽ cảm ứng một điện áp TTK lên đường dây bị
sự cố làm cho giá trị đo được của rơle tổng trở tại đường dây sự cố bị sai lệch.
A

V01

Z0M

Z01

I01

Z02

I02

B

Hình 6 Ảnh hưởng của tương hỗ giữa các đường dây song song

V01 = Z01I01 + Z0MI02

[1.9]

Trong đó:
V01: điện áp TTK của bảo vệ trên đường dây bị sự cố.
Z01: tổng trở TTK của đường dây bị sự cố.
Z0M: tổng trở tương hỗ TTK giữa hai đường dây.
I01, I02: dòng điện TTK chạy trên đường dây bị sự cố và đường dây lân cận.
Thông thường sự ảnh hưởng tổng trở tương hỗ của các thành phần thứ tự
thuận và thứ tự nghịch là rất ít chiếm khoảng từ 5% đến 7% và có thể bỏ qua. Trong
khi đó ảnh hưởng tổng trở thứ tự không lại có ảnh hưởng rất lớn và chiếm khoảng
50% đến 70%. Ví dụ về giá trị của tổng trở TTK và tổng trở tương hỗ TTK của một
đường dây có thể là:

Z0  0,1101  j1,0127 (Ω/km)
Z0  0,06874  j0,5323 (Ω/km)

9

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Để rơle có thể làm việc đúng cần bù lại sự thay đổi về điện kháng TTK do các
đường dây lân cận gây ra. Các rơle hiện nay thực hiện việc này bằng cách lấy dòng
TTK từ đường dây lân cận đưa vào trong rơle và rơle sẽ có thuật toán để bù lại
thành phần hỗ cảm TTK này. Tuy nhiên, việc này chỉ thực hiện được khi hai đường
dây đi ra từ cùng một trạm biến áp, trong trường hợp hai đường dây thuộc hai trạm
riêng biệt thì rất khó để thực hiện giải pháp này.
Việc xác định chính xác thành phần tổng trở tương hỗ TTK còn gặp nhiều khó khăn
do có trường hợp các đường dây chỉ đi song song một phần hoặc đường dây song
song đang cắt khỏi vận hành và nối đất hai đầu…
Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện
Xét sự ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến tính chính xác của rơ le bảo vệ
khoảng cách được minh họa dưới Hình 7 như sau:

B

Hệ thống
A

N

Hệ thống
D

IBN

IAB
VA

Hình 7 Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến sự làm việc của bảo vệ

Xét hai trường hợp tiêu biểu như trên Hình 7 ta thấy tổng trở của rơ le bảo vệ
khoảng cách đặt ở đầu A của đường dây AB đo được khi ngắn mạch xảy ra ở điểm
N trên đường dây BD tiếp theo (bằng giả thiết tỷ số biến đổi của biến dòng điện và
biến điện áp ki = ku = 1).
ZR 

.

.

UR

UA

.

IR



.

.



.

U AB  U BN

I AB

.

I AB

.



.

.

.

I AB . Z AB  I BN . Z BN
.

.
.

 Z AB 

I AB

I BN

.

Z BN

.

[1.10]

I AB
.

.

.

 Z AB  Ki Z BN
.
.

Trong đó: K i 

I BN
.

hệ số phân bố dòng điện

I AB

Khi hệ số phân bố dòng điện Ki ≠ 1, tổng trở ZR mà rơ le bảo vệ khoảng cách
đo được khác với tổng trở thực tế từ chỗ đặt bảo vệ đến chỗ ngắn mạch.

10


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Với những lưới điện có cấu hình phức tạp hệ số phân bố dòng điện có thể thay đổi
theo chế độ làm việc của lưới điện. Khi điểm ngắn mạch càng nằm xa điểm đặt rơ le
bảo vệ thì ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện càng lớn.
1.2.1 Nhận xét ưu, nhược điểm
Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ một
đầu được tóm tắt như sau:
Ưu điểm của phương pháp này:
-

Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được 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 được của các
rơle tại các đầu.

-

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

Nhược điểm của phương pháp này:
-

Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
o Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố.
o Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây.
o Ảnh hưởng 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 được tại vị trí đặt rơle).
o Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song gây ra.
o Tổng trở thứ tự không của đường dây thường không thể xác định
được chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất.

-

Thực tế vận hành cho thấy phương pháp định vị này kém tin cậy, sai số có
thể lên tới hàng chục km.

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

1.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
1.3.1 Định vị sự cố theo tín hiệu đo lường từ hai phía đường dây
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây
AB như trong Hình 8.
A

IA

B

IA
(1-x)

x

IF

RF

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý của đường dây hai nguồn cấp bị sự cố

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường
hợp sự cố như trên Hình 9.
IA

A

x*ZD

(1-x)*ZD

F

IB

B

IF

UF

UA

RF

UB

Hình 9 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Giả thiết dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai trạm được
đồng bộ về mặt thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:
UF  U A  I A * x * ZD

[1.11]

U F  U B  I B *(1  x) * Z D

[1.12]

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB
Trừ hai phương trình cho nhau:
U A  U B  I B * Z D  x * Z D *( I A  I B )

[1.13]

Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên:
x

U A  UB  IB * ZD
Z D *( I A  I B )

12

[1.14]


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Phương trình trên có thể áp dụng cho mọi trường 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 thì điện áp sử dụng là của pha A, tuy nhiên dòng điện đưa 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 đường 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.
Để tránh trường hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần
dòng điện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch [5] (tính toán dựa trên thành phần
thứ tự nghịch chỉ áp dụng được với các sự cố không đối xứng).
Phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường
dây có ưu điểm hơn so với chỉ dùng tín hiệu từ một đầu:
o Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn.
o Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán tổng trở
sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định vị sự
cố.
o Trong thực tế còn nhiều biến thể của phương pháp này, tùy theo tín hiệu đo
lường có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đường dây
hay không…
1.3.2 Nhận xét ưu, nhược điểm
Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường từ hai

phía đường dây như sau:
Ưu điểm của phương pháp này:
-

Độ chính xác được cải thiện đáng kể do thuật toán đã loại trừ được nhiều yếu
tố như điện trở tại điểm sự cố, tổng trở thứ tự không của đường dây, hỗ cảm
của đường dây lân cận...

-

Không cần đầu tư thêm các thiết bị chuyên dụng: các rơle kỹ thuật số hiện
nay đều có chức năng ghi và lưu trữ các bản ghi sự cố, hoặc thậm chí rất
nhiều trạm đã được trang bị các bộ ghi sự cố chuyên dụng. Đây là các cơ sở
dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác xử lý tín hiệu, định vị sau sự cố.

13


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

Nhược điểm của phương pháp này:
-

Phương pháp này sử dụng tín hiệu đo lường từ hai đầu của đường dây tải
điện. Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải được 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 được giải quyết, tuy nhiên với hiện trạng tại
Việt Nam thì số lượng trạm được trang bị đồng hồ GPS chưa nhiều nên
phương pháp này sẽ gặp nhiều trở ngại.

-

Cần có giải pháp đồng bộ lại tín hiệu khi các trạm không được trang bị
đồng hồ GPS: giải pháp đồng bộ lại tín hiệu đo lường sẽ được đề xuất và
phân tích chi tiết trong các phần sau của luận văn.

1.4 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền
1.4.1 Nguyên lý định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền
Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến
về dòng điện và điện áp. Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên đường
dây cả về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
Khi sóng lan truyền đi tới một đầu đường dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó
một phần của sóng này sẽ phản xạ trở lại và một phần tiếp tục lan truyền đi tiếp.
Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện
trên Hình 1010. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t)
hoàn toàn có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:
x

l  c * t
2

trong đó:
x: khoảng cách đến điểm sự cố
l: tổng chiều dài đường dây
c: vận tốc truyền sóng, xấp xỉ bằng vận tốc ánh sáng.

14


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

A

B
Thời gian (µs)
Sự cố
Ghi nhận tín hiệu
tới đầu A lần 1

Δt

Ghi nhận tín hiệu
tới đầu B lần 1

Hình 10 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện sự cố trên đường dây

1.4.2 Nhận xét ưu, nhược điểm
Ưu và nhược điểm của phương pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu sóng lan truyền
như sau:
Ưu điểm của phương pháp này:
-

Độ chính xác đạt được cao nhất tính tới giai đoạn hiện nay so với các phương
pháp khác. Một số bộ định vị sự cố sử dụng nguyên lý này đã được lắp đặt
tại Việt Nam, các báo cáo cho thấy sau vài lần hiệu chỉnh thì sai số khoảng
cách định vị chỉ trong phạm vi nhỏ hơn một khoảng cột (từ 200m đến 500m).

Nhược điểm của phương pháp này:
-

Phải có các thiết bị ghi tín hiệu được 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 được.

-

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 dẫn tới cần tốc độ xử lý cao và bộ nhớ phải có
dung lượng lớn.

15


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

-

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 hưởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu.

-

Các cảm biến đo dòng điện phải là loại được thiết kế để có khả năng hoạt
động chính xác ở tần số cao.

-

Chi phí đầu tư ban đầu lớn, giai đoạn hiệu chỉnh phải mời chuyên gia sang
làm việc nhiều lần.

1.5 Tổng kết và đề xuất hướng nghiên cứu
Các phương pháp định vị sự cố thông dụng đã được giới thiệu trong chương
này, tất cả các phương pháp này đều thể hiện ưu điểm và nhược điểm riêng.
Trên cơ sở tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có và vẫn nâng cao được độ chính xác
trong định vị sự cố, luận văn đề xuất đi nghiên cứu áp phương pháp định vị sự cố
dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía. Trở ngại lớn nhất đối với phương án này là
việc đồng bộ lại các tín hiệu đo lường từ hai phía khi các rơle không được trang bị
đồng hồ GPS. Do đó, phần nội dung nghiên cứu chính của luận văn trong các
chương tiếp theo sẽ là các phương pháp đồng bộ lại tín hiệu đo lường thu được từ
các rơle hay thiết bị ghi sự cố ở hai phía của đường dây.

16


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện (Hệ thống điện)

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG
THU ĐƯỢC TỪ HAI ĐẦU ĐƯỜNG DÂY
2.1 Khái niệm góc đồng bộ khi xử lý tín hiệu đo lường từ hai đầu đường dây
2.1.1 Sự cần thiết phải đồng bộ tín hiệu đo lường
Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường
dây đã được trình bày sơ lược tại mục 1.3.
Thuật toán được nêu ra dựa trên giả thiết tín hiệu đo lường được đồng bộ
hoàn toàn về mặt thời gian. Việc đồng bộ về mặt thời gian giữa các trạm biến áp tại
hai đầu đường dây và các trạm khác thường được giải quyết bằng cách lắp đặt các
đồng hồ hoạt động dựa theo tín hiệu vệ tinh GPS (đồng hồ GPS). Tuy nhiên trong
điều kiện Việt Nam thì việc lắp đặt các đồng hồ này chưa thực sự phổ biến, do đó
khả năng để thu được tín hiệu đo lường đồng bộ từ hai đầu đường dây là rất khó. Để
giải quyết vấn đề, luận văn đi sâu nghiên cứu phương pháp được sử dụng để đồng

bộ lại các tín hiệu đo lường này.
2.1.2 Khái niệm về góc đồng bộ
Xét ví dụ một đường dây truyền tải điện được trang bị các rơle bảo vệ tại hai
đầu như trong Hình 11

Hình 11 Đường dây truyền tải với rơle bảo vệ hai đầu

Rơle A và rơle B đều có các đồng hồ nội bộ trong bản thân rơle. Tín hiệu
dòng điện hoặc điện áp ở mỗi đầu sẽ được các rơle lấy mẫu và gắn cho mỗi mẫu tín

17