Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu sóng lan truyền trên đường dây để định vị sự cố ngắn mạch

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

NGUYỄN BÁ VĂN TRƯỜNG

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU

SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY
ĐỂ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – Năm 2014


Mở đầu

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Đường dây truyền tải điện là một trong những khâu rất quan trọng trong việc
đảm bảo sự liên lạc giữa các nguồn điện và các hộ tiêu thụ điện. Tốc độ phát triển
nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng
nhanh về số lượng các đường dây truyền tải ở các cấp điện áp cũng như tổng chiều
dài của toàn hệ thống. Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên đường dây,

bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh
hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Sự cố trên đường
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 được 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, của hồ quang tại điểm sự
cố… Song song với quá trình cô lập sự cố thì việc xác định chính xác vị trí điểm sự
cố là rất quan trọng, nó 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. Như vậy
quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác vị trí sự cố càng
nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của
hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện
cho các hộ tiêu thụ. Đề tài nghiên cứu định vị sóng lan truyền trên đường dây tải
điện là đề tài mang tính cấp thiết và quan trọng với mong muốn áp dụng vào thực tế
nhằm giúp con người định vị chính xác điểm sự cố làm giảm thời gian tìm kiếm
cũng như nhân công trực tiếp.
2. Lý do chọn đề tài
Có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng để xác định điểm sự cố, tùytheo
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

- 1 -


Mở đầu

nhiệm vụ bảo vệ, phát hiện sự cố vừa định vị vị trí điểm sự cố trên đường dây. Tuy
nhiên các rơle khoảng cách vẫn có kết quả định vị điểm sự cố thường bị sai lệch do
bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố. Trong nhiều trường 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.

Xuất phát từ thực tế đó và với mong muốn được tìm hiểu và nghiên cứu để tìm
ra giải pháp tốt hơn cho nhiệm vụ phát hiện sự cố trên đường dây, được sự giúp đỡ
và quan tâm tận tình của Thầy giáo PGS. TSKH. Trần Hoài Linh em đã chọn và
nhận Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ với đề tài “Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu
sóng lan truyền trên đường dây để định vị sự cố ngắn mạch”.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Rơ-le khoảng cách với các thuật toán dùng tổng trở đo đầu đường dây cho
phép xác định khoảng cách từ nơi đặt thiết bị bảo vệ đến vị trí xảy ra sự cố và được
tính toán một cách chính xác nhất có thể. Các rơle khoảng cách sẽ cung cấp thông
tin về vùng xảy ra sự cố với độ chính xác nhất định về điểm xảy ra sự cố, sai số về
vị trí sự cố thay đổi tùy theo từng trường hợp cụ thể (ví dụ việc xác định vị trí sự cố
từ rơle khoảng cách có độ chính xác thống kê khoảng từ 1 đến 5%). Mặt khác, trên
thực tế các đường dây truyền tải thường tương đối dài và phân bố trên các địa hình
địa lý khác nhau, vì vậy sự cố có thể xảy ra vì bất cứ lý do gì cũng phải mất từ vài
phút đến vài giờ để khắc phục sự cố, dẫn đến việc tìm kiếm và xử lý sự cố còn gặp
rất nhiều khó khăn.
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. Trong nhiều trường 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. Có thể cải thiện được độ
chính xác của rơ-le tổng trở dựa trên việc sử dụng phối hợp rơ-le ở hai đầu đường
dây, tuy nhiên khi đó ta cần có sự đồng bộ rất cao về mặt thời gian giữa hai thiết bị
đo. Phương pháp dựa trên cơ sở phát hiện các xung điện áp và dòng điện được tạo
ra tại thời điểm sự cố cũng phải dựa trên sự so sánh về chênh lệch thời điểm sóng

- 2 -


Mở đầu

lan tới hai đầu đường dây. Nếu hai đồng hồ của hai thiết bị hai đầu lệch nhau 1 s
(đây là sai số thường gặp của các đồng hồ GPS hay được dùng trong đồng bộ thời
gian của các thiết bị hai đầu) thì sai số về vị trí sẽ là 150m. Hiện nay một phương
pháp mới đang được quan tâm phát triển là các giải pháp dựa trên việc phân tích
sóng phản hồi khi ta chủ động phát một xung điện áp vào đầu đường dây bị sự cố,
hay còn gọi là các phương pháp TDR - Time Domain Reflectometry. Ý tưởng của

phương pháp này là sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dòng điện) vào đầu
đường dây bị sự cố. Về lý thuyết ta có thể phát xung ngay khi đường dây đang đóng
điện, tuy nhiên người ta thường dùng phương pháp này sau khi các thiết bị bảo vệ
đã tác động và cắt nguồn điện của đường dây. Sau khi có xung được phát vào
đường dây, ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản hồi. Dựa trên việc phân tích tín
hiệu phản hồi mà ta có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số của đường
dây, của điểm sự cố và của tải cuối đường dây. Phương pháp này có nhiều lợi điểm
so với các phương pháp tổng trở hay phát hiện xung sự cố do sử dụng thiết bị ở một
đầu nên không cần phải đồng bộ về thời gian. Thời gian sóng phản hồi dài gấp đôi
(do cần lan truyền thuận trước khi phản hồi ngược trở lại) nên sai lệch tương đối về
thời gian cũng nhỏ hơn. Từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp
định vị điểm sự cố dựa trên giải pháp TDR này.
Luận văn đề xuất việc sử dụng phần mềm Matlab và Simulink để mô phỏng
tín hiệu sóng lan truyền trên đường dây, đồng thời sử dụng phương pháp wavelet để
xác định các thời điểm sóng phản hồi quay trở lại đến đầu đường dây. Các tham số
của quá trình quá độ của tín hiệu sẽ được ước lượng bằng phương pháp bình
phương cực tiểu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về giải pháp định vị sự cố từ
sóng lan truyền trên đường dây tải điện và phương pháp xây dựng mô hình mô
phỏng bằng Matlab từ đó đánh giá chính xác khả năng phát triển của đề tài.

- 3 -


Mở đầu

4.2. Phạm vi nghiên cứu

Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng một số trường hợp sự cố ngắn mạch
với các thông số khác nhau của tải trên đường dây truyền tải điện để tạo dữ liệu mẫu
cho quá trình nghiên cứu.
Lập trình các thuật toán phân tích và xử lý tín hiệu bằng các công cụ mạnh
như Wavelet, để xây dựng mô hình xác định vị trí sự cố, điện trở sự cố và thông sổ
tải cuối đường dây truyền tải.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học

Sử dụng mô hình Matlab – Simulink để thử nghiệm một phương pháp tương
đối mới và chính xác hơn trong việc xác định sự cố trên đường dây tải điện.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Bài toán xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện có ứng dụng thực
tế rất rộng rãi. Phương pháp mới của luận án sẽ góp phần bổ sung số lượng các giải
pháp để tạo điều kiện cho việc lựa chọn ứng dụng thực tế được dễ dàng hơn.
Phương pháp chỉ yêu cầu sử dụng các tín hiệu dòng điện và điện áp đo lường được
ở đầu đường dây truyền tải điện, nên các khâu đo lường và thu thập số liệu cũng
khá đơn giản, tính kinh tế cao.

- 4 -

Chương 1: Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Trong chương này sẽ trình bày về nhiệm vụ định vị sự cố trên đường dây tải
điện, ý nghĩa và một số phương pháp cơ bản. Đồng thời sẽ trình bày về phương
pháp xử lý tín hiệu sóng lan truyền để xác định vị trí và các thông số của sự cố và
tải.
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 đường dây tải điện mang một ý nghĩa
rất quan trọng trong quản lý vận hành. Thực tế trong vận hành, đa số các đường dây
truyền tải thường đi qua những khu vực ít dân cư hoặc đồi núi cao hiểm trở. Định vị
sự cố giúp phát hiện nhanh hơn điểm sự cố, kể cả với sự cố thoáng qua và 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 lớn.
 Việc xác định nhanh chóng, chính xác điểm sự cố sẽ giảm thiểu đượcthời

gian, công sức cũng như giảm thiểu tối đa thiệt hại do mất điện gây ra đối
với những phụ tải quan trọng.
Các 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 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

- 5 -


Chương 1: Giới thiệu chung

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. 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). Do đó các phương pháp mới để định vị sự
cố trên đường dây truyền tải hiện vẫn đang là đề tài được quan tâm nghiên cứu và
phát triển.
1.2. Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày càng có nhiều
phương pháp 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 đuờng dây, sơ lược có thể thấy có
các phương pháp định vị sau đây:
 Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây.
 Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây.
 Định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền (travelling wave).
1.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
1.3.1. 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
BI và BU 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 được trong các chế độ bình thường cũng
như sự cố.

- 6 -


Chương 1: Giới thiệu chung

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ khoảng cách

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 1.2).

Hình 1.2. Đặc tính tác động loại MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ

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:
lsc 

X ®o
( km )
X0

(1.1)

Chính vì đặc điểm này nên rơle bảo vệ theo nguyên lý tổng trở thấp còn có tên
gọi là rơ-le 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

- 7 -


Chương 1: Giới thiệu chung

dụng để tính toán khoảng cách được thu thập từ khi bảo vệ khởi động đến trước thời
điểm cắt máy cắt để tránh các nhiễu loạn ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị.
Ưu và nhược 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 vị trí khác.
 Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha - pha (theo thực tế

vận hành).
 Độ chính xác của phép đo bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố:
- Ảnh hưởng của hồ quang tại điểm sự cố.
- Ảnh hưởng của tải trước sự cố trên đường dây.
- 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).
- Ảnh hưởng của hỗ cảm do các đường dây chạy song song gây ra.
- 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 (đây

lại là loại sự cố thường xảy ra đối với lưới truyền tải và hệ thống điện
nói chung).
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương
pháp chỉ dựa trên tín hiệu tổng trở từ một phía
a) 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
- 8 -


Chương 1: Giới thiệu chung

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. Điện trở hồ quang
phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau:
8750  Larc
I 1,4
f

Rarc 

(1.2)

trong đó: Rarc - điện trở hồ quang; Larc - chiều dài hồ quang (m) trong trường hợp
không có gió; If - giá trị dòng sự cố (A).
Chiều dài hồ quang ban đầu bằng khoảng cách từ dây dẫn đến cột hoặc giữa
hai dây dẫn, nhưng nó sẽ tăng và kéo dài khi có gió thổi ngang qua do sự đối lưu và
truyền sóng điện từ. Người ta đưa ra giả thuyết điện trở hồ quang phụ thuộc vào

khoảng cách dây dẫn, vận tốc gió và thời gian theo công thức:
Rarc 

8750   d  3  V  Tarc 
I 1,4
f

(1.3)

trong đó: d - khoảng cách dây dẫn (m); V - vận tốc gió (m/s); Tarc - thời gian tồn tại
của hồ quang.
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 (Ω). 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 10Ω 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.
b) 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

- 9 -


Chương 1: Giới thiệu chung

độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng

điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
1.4. Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía

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.
1.4.1. 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 đường dây
AB như trong Hình 1.3.

 

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường
hợp sự cố như trên Hình 1.4.

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

- 10 -


Chương 1: Giới thiệu chung

Các dòng điện IA, IB và các điện áp UA, UB\ đo tại hai trạm được đồng bộ về
mặt thời gian:

UF  U A  I A  x  ZD

(1.4)

U F  U B  I B  (1  x )  Z

(1.5)

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB.
Trừ hai phương trình cho nhau:
U A  UB  IB  ZD  x  ZD  (I A  IB )

(1.6)

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

U A  UB  IB  ZD
ZD  (I A  IB )

(1.7)

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 (N(1)) 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 tín 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 (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:
 Không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn.
 Điện trở tại điểm sự cố không xuất hiện trong phương trình tính toán

khoảng cách đến điểm sự cố, do đó không gây ảnh hưởng đến độ chính xác
của kết quả định vị sự cố.

- 11 -


Chương 1: Giới thiệu chung

 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…
1.5. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự
cố

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 1.5. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t)
có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:
x

l  c  t
2

(1.8)

trong đó: x - khoảng cách đến điểm sự cố; l - tổng chiều dài đường dây; c - vận tốc
ánh sáng.

Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Đặc điểm của phương pháp này:

- 12 -


Chương 1: Giới thiệu chung

 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.
 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.
1.6. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu

đường dây

Để giảm mức độ phụ thuộc vào việc đồng bộ thời gian các thiết bị đo trong hệ
thống, hiện nay một phương pháp mới đang được quan tâm phát triển là các giải
pháp dựa trên việc phân tích sóng phản hồi khi ta chủ động phát một xung điện áp
vào đầu đường dây bị sự cố, hay còn gọi là các phương pháp TDR - Time Domain
Reflectometry. Phương pháp này là sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dòng

điện) vào đầu đường dây bị sự cố. Sau khi có xung được phát vào đường dây, ta tiến
hành ghi lại các tín hiệu phản hồi. Dựa trên việc phân tích tín hiệu phản hồi mà ta
có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số của đường dây, của điểm sự cố
và của tải cuối đường dây. Phương pháp này có nhiều lợi điểm so với các phương
pháp tổng trở hay phát hiện xung sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không cần
phải đồng bộ về thời gian. Thời gian sóng phản hồi dài gấp đôi (do cần lan truyền
thuận trước khi phản hồi ngược trở lại) nên sai lệch tương đối về thời gian cũng nhỏ
hơn. Từ thực tế đó, luận văn đi sâu vào nghiên cứu phương pháp định vị điểm sự cố
dựa trên giải pháp TDR này.

- 13 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SÓNG
LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI SỬ DỤNG PHẦN
MỀM MATLAB
2.1. Công cụ Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện
2.1.1. Giới thiệu về Matlab

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công

ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay
biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với
những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. MATLAB
giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ
lập trình truyền thống như C, C++, …
MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh,
truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài
chính, hay tính toán sinh học. Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong
môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ
của tính toán khoa học.
2.1.2. Giới thiệu về Simulink

Simulink là phần mở rộng của Matlab. Simulink là công cụ dùng để mô phỏng
và phân tích hệ thống động liên tục, rời rạc, tuyến tinh và phi tuyến thông qua giao
diện GUI dưới dạng sơ đồ khối. Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho
phép thể hiện hệ thống dưới dạng tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc.
Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số
lượng lớn các khối chức năng cho các loại hệ thống khác nhau. Hơn thế nữa người
sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình.
Để làm việc với Simulink, trước hết phải khởi động Matlab, sau đó gọi lệnh
simulink ta sẽ thu được kết quả như hình 2.1.

- 14 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Simulink gồm các khối thư viện, mỗi thư viện có chứa nhiều thư viện con, mỗi
khối thư viện con có một chức năng riêng .

Hình 2.1: Giao diện Simulink

- 15 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

 

- 16 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Hình 2.2: Các khối thư viện trong Simulink

Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo mẫu giống nhau. Mỗi khối
có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ các khối đặc biệt), tên ở giữa các khối thể hiện đặc
điểm của khối. Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên mỗi tên
chỉ sử dụng duy nhất một lần trong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng. Khi nháy
kép trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters và có thể nhập thủ
công các tham số đặc trưng của khối Simulink.
 Các loại tín hiệu

Đối với Simulink, khái niệm tín hiệu nhằm chỉ vào dữ liệu xuất hiện ở đầu ra
của các khôi chức năng trong quá trình mô phỏng. Trong Simulink ta phân biệt 3
loại kích cỡ tín hiệu :
- Tín hiệu đơn (scalar).
- Vector tín hiệu: tín hiệu một chiều với độ dài n còn gọi là tín hiệu 1-D.
- Ma trận tín hiệu: Kích cỡ của tín hiệu được xác định theo 2 chiều

[mxn] (Arrays) còn gọi là tín hiệu 2-D.
 Làm việc với các loại tín hiệu:

- 17 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Bên cạnh các đặc điểm đã được giới thiệu, mỗi tín hiệu thuộc sơ đồ cấu trúc
Simulink đều được gắn một loại số liệu nhất định, quyết định đến dung lượng bộ
nhớ dành cho mỗi tín hiệu. Simulink cũng hỗ trợ tất cả các loại số liệu như Matlab,
Số liệu mặc định của Simulink là kiểu double. Trong quá trình mô phỏng Simulink
sẽ kiểm tra xem việc đảo giữa các loại số liệu có đúng hay không, nhằm loại trừ các
kết quả sai lầm có thể xảy ra. Khả năng khai báo, xác định loại số liệu của tín hiệu
cũng như tham số thuộc các khối chức năng thật có ý nghĩa, nếu ta chọn mô hình
chạy với thời gian thật, nhu cầu bộ nhớ và tốc độ tính toán phụ thuộc vào số liệu
được ta chọn.
2.2. Giới thiệu một số khối chức năng của Simulink
2.2.1 Khối Import và Out Port

Khối Import và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một số mô hình mô
phỏng. Cần lưu ý đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport. Ví dụ,
Outport when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nào khi hệ

thống mô phỏng đang ngừng không chạy (xóa về không hay giữ nguyên giá trị cuối
cùng). Initial Outport cho biết giá trị cần lập cho đầu ra
2.2.2. Khối Scope

Nằm trong nhóm chức năng "Sinks", khối Scope có chức năng hiển thị tín hiệu

đã được phân tích trong suốt quá trình mô phỏng. Nó hiển thị giá trị được đưa vào
theo thời gian. Khối có thể hiển thị song song nhiều tín hiệu nhưng cần có chung
một trục thời gian. Scope cho phép ta chỉnh khoảng thời gian và dãy giá trị tín hiệu
đã được hiển thị. Ta có thể di chuyển, thay đổi kích thước của khối này và thay đổi

- 18 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

thông số của khối trong quá trình mô phỏng. Scope có thể phóng to/thu nhỏ hình
ảnh hiển thị sao cho tối ưu nhất.
2.2.3 Electrical Sources

Khối này nằm trong thư viện SimPowerStyems, trong khối này cho phép ta
lựa chọn các nguồn điện áp và dòng điện. Dưới đây là một số khối nằm trong mục
Electrical Soures
 DC Voltage Source: Nguồn điện áp một chiều, có thể được dùng để làm

nguồn nuôi cho các thiết bị bảo vệ…

Trong bài toán này ta sử dụng nguồn một chiều để đóng xung điện áp vào
đường dây, từ tín hiệu xung đưa vào ta sẽ xác định được tín hiệu phản xạ lại để định
vị sự cố. Ngoài ra Simulink còn cung cấp nhiều loại nguồn khác như: AC Voltage
Source (Nguồn điện áp xoay chiều), Three-Phase Source (Nguồn điện 3 pha),...

Hình 2.3: Một số khối trong thư mục Electrical Sources

- 19 -

Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

 Voltage Measurement:

Khối Voltage Measurement dùng để đo điện áp trong mạch, có thể dùng để đo
điện áp tức thời giữa hai nút điện. Đầu ra cung cấp một tín hiệu có thể sử dụng được
cho các khối chức năng.
 Current Measurement: Khối Current Measurement dùng để đo tức thời một

tín hiệu dòng điện chạy qua bất kỳ khối nào, đầu ra cung cấp tín hiệu cho
các khối chức năng khác.

Hình 2.4: Các khối đo lường

2.2.4 Nhóm các phần tử khác (nhóm Elements)
 Mô hình đường dây với thông số rải (Distributed parameters Line)

Khối này được dùng để mô phỏng mô tả đường dây truyền tải. Các thông số
của mô hình được khai báo trong block như trên hình 2.5.

- 20 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Hình 2.5: Hộp thoại khối Distributed Parameters Line

Các thông số khai báo trong đơn vị có tên gồm điện trở, điện kháng, điện dung
trên 1 km đường dây, tần số hệ thống điện và chiều dài đường dây. Mục "Number

of phases N” cho phép ta lựa chọn số pha để mô phỏng (1 pha, 2 pha hay 3 pha)
 Series RLC Branch

Khối Series RLC Branch mô phỏng mạch RLC mắc nối tiếp với các cấu hình
phần tử và giá trị các phần tử có thể lựa chọn được.
- 21 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Trong mục “Branch type” cho phép ta lựa chọn tải tương ứng khi mô phỏng
trong từng trường hợp:
- Nếu phần tử thuần trở: khai báo L=0 ; C=inf,
- Nếu phần tử thuần cảm: khai báo R=0 ; C=inf,
- Nếu phần tử thuần dung: khai báo L=0 ; R=0.

Hình 2.6: Các khối trong thư mục Elements

 Khối Breaker :

Trong thư mục này ta có thể lựa chọn bộ ngắt mạch. Khi mà chế độ bên ngoài
được chọn, một tín hiệu logic Simulink được sử dụng để kiểm soát hoạt động ngắt.
Khi tín hiệu trở nên lớn hơn đến giá trị đặt thì cầu dao sẽ cắt ngay lập tức. Khi tín
hiệu trở về không thì cho phép đóng lặp lại. Ta sử dụng phần tử Breaker dùng để
đóng điện trở sự cố khi mô phỏng. Trong mục “Initial sate” khi ta đặt “0” thì bộ
ngắt ở trạng thái mở, khi ta đặt “1” thì mạch ngắt ở vị trí đóng.

- 22 -

Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Hình 2.7: Hộp thoại khối Breaker

2.3. Mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài sử dụng công cụ
Matlab/Simulink

Mô hình đề xuất trong luận văn sử dụng bộ phát nguồn một chiều ở đầu nguồn
nhằm phát xung điện áp tới đường dây và quan sát sóng phản xạ thông qua tín hiệu
đo được. Đường dây dài là đường dây đơn 1 pha, có chiều dài L = 300 km. Tải
được đặt ở cuối đường dây, thành phần tải có thể thay đổi được. Các dạng mô
phỏng với tải là R, RL, RC. Sự cố ngắn mạch trên đường dây được mô phỏng bằng
bộ ngắt mạch “Breaker”. Dựa trên kết quả đo điện áp đầu đường dây, ta sẽ tính toán
thành phần sóng phản hồi cũng như thời điểm sóng phản hồi về, từ đó xác định
được vị trí của sự cố và dạng tổng trở của sự cố và tải cuối đường dây.

- 23 -


Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài...

Hình 2.8: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên
đường dây một pha có sự cố ở giữa đường dây

2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán thông số sự cố từ hình dạng của sóng phản hồi
2.4.1. Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây

Khi xét đường dây dài ở chế độ truyền sóng, nếu bỏ qua thành phần điện trở
của đường dây, ta có các thông số truyền sóng được xác định như sau:
 Tổng trở dọc: Z 0  j L0

 Tổng dẫn ngang: Y0  jC0
 Hệ số truyền sóng:   Z 0  Y0  j L0  C0 suy ra hệ số suy giảm   0;

hệ số pha    L0  C0
 Vận tốc truyền sóng: v 

 Tổng trở sóng: Z 0 


1


L0  C0

L0
là điện trở thuần.
C0

Ta có nhận xét về các thông số của đường dây dài không tiêu tán:

- 24 -