Nghiên cứu phương pháp phân tích phổ bằng wavelet của quá trình truyền sóng để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN LÂM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG
WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG ĐỂ XÁC
ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN LÂM

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG
WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG
DÂY TẢI ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ TRUNG HẢI

Thái Nguyên 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các
tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng offline, thời gian
thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Trung Hải.

Tác giả

Nguyễn Văn Lâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến nhà trường và các Thầy, Cô trong trường
đã tận tình giúp tôi trang bị được những tri thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi

trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cám ơn đến Tiến
sỹ Đỗ Trung Hải, người hướng dẫn khoa học đã khuyến khích, chỉ dẫn tận tình cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn Ban Giám đốc, các phòng chức năng cùng các bạn đồng
nghiệp tại Công ty Điện lực Thái Nguyên đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài
liệu, số liệu phục vụ cho đề tài nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ
trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn.

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015
HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Lâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC……………………………………………………………………………1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……………………………….3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ…………………………………..……..5
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………...8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ...........................................................................................11
1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ ................................................ 11
1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ .................................................. 12

1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng .......................................................... 12
1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố .. 19
1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường
dây………….............................................................................................................. 20
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN SỬ DỤNG MATLAB-SIMULINK.....................................21
2.1 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
.................................................................................................................................................. 21
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN
TẢI ĐIỆN. ................................................................................................................................
26

2.2.1 Các thông số đặc trưng cho sự truyền sóng trên đường dây dài: ........................ 26
2.2.2 Truyền sóng điện từ trên đường dây tải điện trong chế độ xác lập ..................... 27
2.2.3. Truyền sóng điện từ trên đường dây tải điện trong chế độ sự cố : ..................... 30
2.3. CÔNG CỤ MATLAB-SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN.............. 31

2.3.1. Giới thiệu về Matlab ........................................................................................... 31
2.3.2. Giới thiệu về Simulink ....................................................................................... 32
2.3.3 SimPowerSystems: Công cụ mô phỏng lưới điện ............................................... 36
Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

2.4. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI SỬ DỤNG
CÔNG CỤ MATLAB/SIMULINK ..........................................................................................
41

CHƯƠNG 3 :ỨNG DỤNG WAVELET PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI CHỦ
ĐỘNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
3.1. PHÂN TÍCH PHỔ CỦA TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURRIER ......44
3.2. CÔNG CỤ WAVELET TRONG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU .............................................. 47

3.2.1. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ)............................................................. 48
3.2.2. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet........................................................ 54
3.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ PHÂN TÍCH WAVELET .................................................... 55
3.4. ỨNG DỤNG WAVELET ĐỂ PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI TRÊN ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN................................................................................................................ 57

CHƯƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG................................63
4.1.MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ................................................................................................... 63
4.2 KHI ĐƯỜNG DÂY KHÔNG SỰ CỐ: .............................................................................. 65
4.3 KHI ĐƯỜNG DÂY SỰ CỐ:.............................................................................................. 68
4.3.1 Sự cố 3 pha: ..................................................................................................................... 68

4.3.1 Sự cố 1 pha: ......................................................................................................... 71
4.3.1 Sự cố 2 pha chạm đất: ......................................................................................... 74
4.3.1 Sự cố 2 pha: ......................................................................................................... 75
4.4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................... 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................79

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

R0

Điện trở trên một đơn vị chiều dài đường dây

/km

L0

Điện cảm trên một đơn vị chiều dài đường dây

H/km

H0

Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây

F/km

G0

Điện dẫn trên một đơn vị chiều dài đường dây

S/km

Vref

Sóng tín hiệu điện áp phản hồi

V

Vinc

Sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ Vinc (sóng tới)

V
Km/s

V

Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện

I

Dòng điện

A

l

Chiều dài đường dây

km

Lfault

Chiều dài từ đầu đường dây đến điểm sự cố

km

R f IF

Điện trở sự cố



ZL

Dòng điện sự cố
Tổng trở của đường dây



hệ số khúc xạ



hệ số phản xạ

A


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện…………………………68
Bảng 2: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất………………70
Bảng 3: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau……………………………………....71
Bảng 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất……………..…73
Bảng 5: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………….....…73
Bảng 6: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất……………..…75
Bảng 7: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………..............75
Bảng 8: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha ……………………….…77
Bảng 9: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau…………………………………….....77


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện 14
kháng đơn
Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn

16

Hình 1.3: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

19

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế đường dây

21

Hình 2. 2: Bố trí dây dẫn trên cột theo hình tam giác. a)Dây dẫn đặt trên đỉnh tam giác 25
bất kỳ. b)Dây dẫn đặt trên đỉnh tam giác đều
Hình 2.3: Bố trí dây dẫn trên cột theo mặt phẳng nằm ngang
25
Hình 2.4: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng

27

Hình 2.5: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở

28

Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương của mạch

29

Hình 2.7: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L

29

Hình 2.8: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C

30

Hình 2.9: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C

30

Hình 2.10: Giao diện Simulink

33

Hình 2.11: Thư viện các khối nguồn

34

Hình 2.12: Thư viện các khối hiển thị

35

Hình 2.13: Công cụ mô phỏng SimPowerSystems

36

Hình 2.14: Thư viện các khối nguồn trong SimPowerSystems

37

Hình 2.15: Thư viện Elements trong SimPowerSystems

38


Hình 2.16: Block cài đặt thông số cho đường dây thông số dải

38

Hình 2.17: Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha

39

Hình 2.18: Block cài đặt thông số cho cổng kết nối

40

Hình 2.19: Thư viện các khối đo lường
Hình 2.20: Giao diện cài đặt các thông số mô phỏng trên simulink.

40
41

Hình 2.21: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ 41
trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây
Hình 2.22: Mô hình nguồn phát xung một chiều 3 pha

42

Hình 2.23: Mô hình thiết bị đo tín hiệu phản hồi từ điểm sự cố và cuối đường dây

43

Hình 2.24: Mô hình cài đặt thông số sự cố.

43

Hình 3.1: Phổ Fourrier biên độ của tín hiệu điều hòa (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ
45
Hình 3.2: Phổ Fourier của tín hiệu bất định (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ)

46

Hình 3.3: Minh họa hàm có độ rộng hữu hạn

48

Hình 3.4: Hàm co dãn (trên) và hàm sinh (dưới) của wavelet Haar

49

Hình 3.5: Một số wavelet kinh điển

50

Hình 3.6: Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành 51
phần chi tiết và xấp xỉ
Hình 3.7: Kết quả phân tích tín hiệu tuần hoàn theo họ wavelet Daubechies bậc 4 52
(trên cùng bên trái: tín hiệu gốc, các cửa sổ còn lại: các thành phần tách ra được)
Hình 3.8: Kết quả phân tích tín hiệu bất định bằng họ wavelet Daubechies 4 (phía trên 51
bên trái: tín hiệu gốc, các hình còn lại: các thành phần tách ra được từ tín hiệu ban
đầu)
Hình 3.9: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin()

54


Hình 3.10: Công cụ wavelet toolbox trong phần mềm matlab.

56

Hình 3.11: Công cụ phân tích tín hiệu trong wavelet.

56

Hình 3.12: Tín hiệu đo được tại đầu đường dây khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại vị trí 57
l=25km.
Hình 3.13: Phân tích tín hiệu hình 3.12 bằng wavelet Daubechies bậc 4

58

Hình 3.14: Thành phần chi tiết d1 của phân tích wavelet Daubechies bậc 4 và hình 58
ảnh phóng to của tín hiệu
Hình 3.15: Các thời điểm cần xác định trên biểu đồ điện áp đầu đường dây để xác 59
định vị trí sự cố nếu có
Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán sử dụng wavelet để xác định vị trí sự cố

60

Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc sóng truyền trên đường dây truyền tải 62
điện
Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện

62

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên 63
đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây
Hình 4.2: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên 64
đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây
Hình 4.3: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên

đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không có tải
Hình 4.4: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố tải P=50MW
Hình 4.5: Phân tích tín hiệu bằng wavelet sử dụng matlab và simulink
Hình 4.6: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố tải P, Q và hình ảnh
phóng to tín hiệu phản hồi về từ cuối đường dây.
Hình 4.7: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp phân tích bằng wavelet từ tín hiệu đầu
đường dây khi không sự cố

64

66
66
67

67


Hình 4.8: Mô hình phần tử sự cố 3 pha
Hình 4.9: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 3 pha tại 20 km

68
69

Hình 4.10: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đo được khi sự cố 3 pha

69

Hình 4.11: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu được phóng to

69

Hình 4.12: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 3 pha tại 20 km

70

Hình 4.13: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đo được khi sự cố 3 pha tại 70
20km.
Hình 4.14: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 1 pha tại 50 km

72

Hình 4.15: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 1 pha tại 50Km

72

Hình 4.16: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu được phóng to

72

Hình 4.17: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 1 pha tại 20 km
Hình 4.18: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 2 pha chạm đất tại 20 km

73
74

Hình 4.19: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha chạm đất tại 74
20Km
Hình 4.20: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 2 pha tại 20 km

76

Hình 4.21: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km

76

Hình 4.22: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km phóng 76
to đoạn tín hiệu sự cố.


MỞ ĐẦU
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy
ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp
điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế.
Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố trên đường dây truyền tải điện có thể do sét
đánh, cách điện bị già hóa, cây cối đổ vào đường dây,…. Do đường dây có chiều dài
lớn đi trên địa hình phức tạp dẫn tới khi sự cố xẩy ra quá trình tìm kiếm để xác định vị
trí sự cố mất rất nhiều thời gian, dẫn tới thời gian xử lý sự cố lâu, ảnh hưởng tới quá
trình cung cấp điện liên tục.
Do đó bài toán phát hiện dạng sự cố và vị trí của sự cố trên đường dây truyền
tải điện là yêu cầu cấp thiết. Trong thực tế hiện nay việc xác định vị trí sự cố trên
đường dây tải điện dựa vào rơle tổng trở, tuy nhiên phương pháp này có sai số lớn do
chưa tính đến giá trị điện cảm của sự cố gây ra.
Trong các mô hình được thí nghiệm, chủ yếu đường dây truyền tải điện được
mô hình hóa dưới dạng đường dây dài với các thông số đặc trưng cho quá trình truyền
sóng.
Vì vậy, nội dung của đề tài đề cập đến “Nghiên cứu phương pháp phân tích phổ
bằng Wavelet của quá trình truyền sóng để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải
điện” nhằm hỗ trợ quá trình định vị và khắc phục các sự cố trên đường dây truyền tải
điện, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế và nâng cao độ tin cậy và chất lượng
năng lượng cung cấp cho các hộ tiêu thụ.

Việc xây dựng thành công một giải pháp phân tích và phát hiện vị trí điểm sự
cố sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào vận hành sẽ có khả năng đưa lại hiệu quả cao
về mặt kinh tế - kỹ thuật do tăng cường được độ chính xác nhằm hỗ trợ cho quá trình
khắc phục sự cố được nhanh hơn.
1. Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu tìm hiểu quá trình sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện,
dựa trên phân tích sóng phản hồi từ vị trí sự cố về đầu đường dây để định vị sự cố trên
đường dây truyền tải điện.


2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Đưa ra được những kiến thức, những bước cơ bản để ứng dụng phương pháp
phân tích sóng phản hồi để định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:



Lưới điện truyền tải.
Quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện.



Ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản hồi.

4. Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng phương pháp nghiên cứu là: Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương
pháp thống kê thu thập dữ liệu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Phương pháp phân tích sóng phản hồi trên đường dây truyền tải điện tuy đã được
nghiên cứu trên thế giới nhưng còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Đề tài này hi vọng ứng

dụng phương pháp phân tích phổ bằng Wavelet để định vị điểm sự cố trên đường dây
truyền tải điện, giảm thời gian kiểm tra, nhanh chóng khôi phục cấp điện cho khách
hàng.
Sử dụng mô hình Matlab – Simulink để mô phỏng đường dây tải điện khu vực
Thành phố Thái Nguyên. Qua mô hình này sẽ mô phỏng sự cố và quá trình truyền
sóng từ đó trình bày phương pháp phân tích sóng thu được để định vị sự cố.
6. Nội dụng đề tài
Đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải
điện.
Chương 2: Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện sử dụng
Matlab-simulink.
Chương 3: Ứng dụng wavelet phân tích sóng phản hồi chủ động xác định vị trí sự cố
trên đường dây truyền tải điện.
Chương 4: Các kết quả tính toán và mô phỏng.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ SỰ CỐ
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng điện ngày
càng cao, có rất nhiều đường dây truyền tải điện được xây dựng nhằm đáp ứng đầy đủ
nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải đã dẫn đến một sự gia tăng lớn về số lượng các
đường dây truyền tải cũng như tổng chiều dài của chúng. Các đường dây truyền tải
được sử dụng để truyền tải điện năng từ các nguồn điện đến các trung tâm phụ tải.
Những đường dây này trong quá trình truyền tải điện năng thường gặp các dạng sự cố
do những nguyên nhân khác nhau như: sét đánh, ngắn mạch, thiết bị bị sự cố, sự cố
điều khiển, sự cố do con người, quá tải và lão hóa...
dạng

sự cố
này
đều
phải
được
phátbiết
hiện,
côbình
lập thường
vàxác
sửavịchữa
trước
khibị
đưa
trở
lạiCác
làm
việc.
khôi
phục
lại xác
trạng
thái
của
đường
dây
sự
cố
chỉ
có thể

tiến
hành
nhanh
nhấthợp
nếu
được
chính
trí sự
cố hoặc
ước
lượng
được
vị được
trí Việc
sự cố
với
độ
chính
lý.làm việc
Thời gian khắc phục sự cố càng kéo dài càng không có lợi, gây nên mất điện đến
các hộ tiêu thụ và có thể dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế đặc biệt là đối với các
ngành công nghiệp sản xuất, gây mất ổn định trong hệ thống điện... Như vậy việc
nhanh chóng phát hiện, định vị, cô lập và khắc phục những sự cố là rất quan trọng
trong việc đảm bảo chế độ làm việc tin cậy của hệ thống điện. Tầm quan trọng của
nghiên cứu này phát sinh từ sự cần thiết nhằm giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp
điện và thời gian sửa chữa giúp xác định chính xác hơn vị trí sự cố, khôi phục lại trạng
thái làm việc bình thường của đường dây bị sự cố đặc biệt là các đường dây truyền tải
điện áp cao ở các khu vực có địa hình khó khăn.
thờibao
gian

phục
hồi lại
trạng
thái
việc
bình
thường
đường
dây bịMặt
sự khác,
cố
gồm
cả chính
thời
gian
để
tìm
sự cố.
Điều
này
cócủa
thểcác
được
bằng
cách
tínhcũng
toán
lượng
xác
vị trí

sựvịlàm
cốtrígiúp
cho
khâu
xử lý
sự
cốđạt
được
tiến hành
nhanh
nhấtước
có thể.


Khi có một sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải điện, hệ thống bảo vệ sẽ gửi
tín hiệu đến máy cắt, cắt điện cô lập điểm sự cố. Trong lưới điện truyền tải được 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 một số đường dây tải điện với cấp điện áp từ 110 kV trở lên được
trang bị bảo vệ khoảng cách. 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 từ vài km
đến 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 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
Bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện là bài toán kinh điển do đó
đã có nhiều công trình nghiên cứu trình bày nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi
phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Những phương pháp này có thể được
phân loại theo nhiều nhóm, ví dụ như phương pháp dựa trên trở kháng, phương pháp
dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố, phương pháp dựa trên sóng lan truyền từ đầu
đường dây, ngoài ra còn có một số phương pháp mới như phương pháp ứng dụng

mạng trí tuệ nhân tạo.
Nhìn
các
phương
pháp
đều
có hơn
những
năng
ứng
dụng
nhất
định,
tuy
nhiên
tất
cảchung
cáctìm
phương
đều pháp
có
những
tồncho
tạikhả
nhất
định,
vàđịnh
đâyvịcũng
sẽ
là trên

khả
năng
có
thể
một giải
tốt
bài
toán
xác
trí sự
cố
đườngđể
dây
truyền
tảiđược
điện.pháp
1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng
Trong phương pháp dựa trên trở kháng, sự vận hành của rơle khoảng cách phụ
thuộc rất nhiều vào điện trở sự cố và không hiệu quả trong trường hợp có điện trở sự
cố rất cao. Phương pháp dựa trên trở kháng có thể được phân thành các phương pháp
một đầu và phương pháp hai đầu phụ thuộc vào số lượng các thiết bị đầu cuối mà tại
đó các dữ liệu điện áp và dòng điện được thu thập. Tuy nhiên phương pháp tổng trở
yêu cầu trở kháng ngắn mạch phải gần bằng 0 để có thể thu được kết quả ước lượng vị
trí sự cố được chính xác. Phương pháp đo tổng trở ở cả hai đầu đường dây có độ chính


xác cao hơn vì ít phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch hơn. Nhưng nhìn chung phương
pháp tổng trở sẽ không hiệu quả đối với các trường hợp sự cố thoáng qua. Phương
pháp trở kháng được dùng phổ biến nhất trong các rơle khoảng cách kỹ thuật số được
đặt trong trạm biến áp để bảo vệ cho các đường dây. Ngoài trở kháng, khi xảy ra sự cố

rơle còn tính toán và ghi lại các thông số sự cố trong bản ghi của rơle như: dạng sự cố,
vùng sự cố, vị trí sự cố, giá trị tức thời của điện áp và dòng điện xung quanh thời điểm
sự cố... Việc xác định vị sự cố bằng rơle khoảng cách trong thực tế còn gặp nhiều sai
số do những nguyên nhân khác nhau như: ảnh hưởng của điện trở quá độ đến đến sự
làm việc của bộ phận khoảng cách, ảnh hưởng của trạm trung gian, ảnh hưởng của tổ
nối dây máy biến áp, ảnh hưởng của sai số máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện
áp (BU), sai số của rơle do thành phần tự do gây ra khi tính toán các giá trị hiệu dụng,
độ không lý tưởng của các bộ lọc số, sai số do các bộ chuyển đổi AD, sai số của các
thiết bị đo góc pha, việc tính toán cài đặt và chỉnh định rơle cũng như do việc đã loại
bỏ các thành phần tín hiệu biến thiên nhanh dẫn tới mất đi một phần thông tin trong tín
hiệu..., từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle khoảng cách chưa được chính
xác.
a) Phương pháp điện kháng đơn
Các giá trị điện áp, dòng điện đo lường được ở đầu đường dây sẽ được sử dụng để
tính toán trở kháng của đường dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và được biểu diễn theo
phương trình (1.1). Khi trở kháng của đường dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã được xác
định, khoảng cách sự cố có thể được tính toán theo các phương trình (1.2) và (1.3).
U A  lsù cè  Z L  I A  U
f

trong đó:
 UA: điện áp tại đầu nguồn A; ZL: tổng trở của đường dây.
 IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.
 lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.
 Uf: điện áp sự cố.

(1.1)


U A  lsù cè  Z L  I A  R  I f

(1.2)

f

trong đó:
 If: dòng điện sự cố.
 Rf: điện trở sự cố được minh họa trong hình 1.1.
~

Z

IA

A

ZB

lsuco.Z

Nguồn A

If

Đo lường
điện áp và
dòng điện

(l-lsuco).Z
Rf

f

~
Nguồn B

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện
kháng đơn
Từ công thức (1.2) khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A được xác
định theo biểu thức (1.3):

lsù cè

 UA
I

f

A 


 I
R ZL
Z
L

A



(1.3)


I f 
trong đó:

 Rf : điện trở sự cố.
 If : dòng điện sự cố.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp điện
kháng đơn

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. Điện trở hồ quang phụ thuộc vào
độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau:
Rarc 

8750  Larc
I 1,4
f

(1.4)

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:
8750   d  3  V  Tarc

Rarc



If

(1.5)

1,4

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.

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 điện tải
trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
b) Phương pháp TAKAGI
Phương pháp Takagi cần cả các tín hiệu trước khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất
hiện sự cố. Phương pháp này cũng nâng cao được độ chính xác hơn so với phương
pháp điện kháng đơn như giảm bớt ảnh hưởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh
hưởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa như hình 1.2.
ZA

~
Nguồn A

UA
UA

IA . I A

lsuco

lsuco.Z
Định vị
sự cố

ZB
(l - lsuco).Z
If

~
Nguồn B

Rf U f

Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn
Điện trở sự cố được tính toán theo biểu thức (1.6):
U A  ZC  I A  tanh  lsuco
Rf 

 U A
 I   
 Z tanh 
 C l
j
suco e A


(1.6)

Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A được xác định theo biểu thức
(1.7).
lsù cè 

Im(U A  IA* )
*

Im(Z   I 
I

L
A) A
Tổng trở của đường dây:
Z L    ZC
trong đó:


UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A.



ZL: tổng trở của đường dây.

(1.7)

(1.8)




IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.



ZC: tổng trở đặc tính.



: hệ số lan truyền.



Rf: điện trở sự cố.



lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.


I A 

: dòng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện

trước sự cố.
 U " : điện áp xếp chồng, là sự chênh lệch giữa điện áp sự cố và điện áp trước sự
A
cố.


A

*
I  : ảnh phức liên

I A .

hợp của
c) Phương pháp TAKAGI cải tiến
Phương pháp Takagi cải tiến này cũng còn được gọi là phương pháp dòng điện
thứ tự không. Phương pháp này không yêu cầu dữ liệu trước sự cố vì nó sử dụng dòng

điện thứ tự không thay vì xếp chồng dòng điện của sự cố chạm đất. Vị trí sự cố trong
phương pháp này được tính toán trong phương trình (1.9):
Im(U  I *  e  j  )
A
R
lsù cè 
*  j
Im(Z1L  IA  IR 
)
e

(1.9)

trong đó:

IR: dòng điện thứ tự
không,

*

I R  liên hợp phức của ảnh dòng điện thứ tự không.



: góc dòng điện thứ tự không.



Z1L: tổng trở thứ tự thuận của đường dây.



UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A.



IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.



lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.

d) Nhận xét và đánh giá:


Phương pháp tính toán xác định vị trí sự cố sử dụng dữ liệu dòng điện và điện áp
được đo lường ở một đầu đường dây hiện nay được dùng khá phổ biến, đáp ứng được
điều kiện thực tế và công nghệ rơle bảo vệ. Ưu điểm nổi bật của phương pháp điện
kháng đơn là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị, tuy nhiên
có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng lớn bởi các nguồn nhiễu như sự bất đối xứng của
đường dây (ví dụ do không hoán vị dây dẫn), ảnh hưởng của thành phần thứ tự không
hay của hỗ cảm giữa các đường dây.
Ưu và nhược điểm của phương pháp điện kháng đơn là
 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).
Phương pháp Takagi ít ảnh hưởng của điện trở sự cố và ảnh hưởng của dòng tải
nhưng cần phải biết chính xác được các thông số của dòng điện pha sự cố ngay trước
thời điểm xuất hiện sự cố. Các sai lệch trong các thông số này sẽ tạo thành sai số lớn
trong việc ước lượng vị trí sự cố. Còn trong phương pháp Takagi cải tiến không cần


dùng giá trị của dòng điện trước sự cố nhưng lại phải xác định được góc pha của dòng
điện thứ tự 0. Đây cũng là một nguồn sai số lớn của phương pháp.
Phương pháp tính toán xác định vị trí sự cố sử dụng dữ liệu đo lường từ nhiều
đầu cho kết quả tốt hơn phương pháp đo lường từ một đầu nhưng chi phí đầu tư thiết
bị cao và đòi hỏi thiết bị đo nhiều và cần phải thực hiện đồng bộ.
1.2.2 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 1.3. 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:
l  c  t
x
2

(1.10)

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

Hình 1.3: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây
Đặc 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.
 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.
1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu
đường dây
Phương pháp như điện kháng đơn có độ chính xác thấp, phương pháp Takagi có
độ chính xác cao hơn nhưng lại yêu cầu xác định dòng tải ngay trước thời điểm sự cố.

Phương pháp Takagi cải tiến không cần dùng giá trị của dòng điện trước sự cố nhưng
lại phải xác định được góc pha của dòng điện thứ tự 0. Phương pháp dựa trên sóng lan
truyền từ điểm sự cố đòi hỏi phải đo lường từ 2 đầu đường dây kết hợp với đồng bộ về
thời gian. Do đó luận văn này đi nghiên cứu phương pháp mới đang được quan tâm
nghiên cứu là giải pháp chủ động phát xung điện áp vào đầu đường dây bị sự cố. Sau
khi đó tiến hành nghi lại các tín hiệu phản hồi. Dựa trên các phương pháp phân tích
sóng phản hồi sẽ xác định được thời điểm sóng phản hồi từ điểm sự cố về đầu đường
dây. Căn cứ vào thời gian bắt đầu phát xung và thời gian xung phản hồi về suy ra vị trí
sự cố. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng ít thiết bị đo lường, chỉ đo lường từ 1
đầu đường dây nên không cần đồng bộ về thời gian. Do đó trong luận văn sẽ đi vào
nghiên cứu phương pháp này.
Để nghiên cứu phương pháp này luận văn sẽ đi nghiên cứu mô phỏng các dạng
sự cố trên đường dây truyền tải điện. Nghiên cứu phương pháp phân tích sóng phản
hồi để xác định chính xác thời điểm sóng phản hồi từ điểm sự cố về đầu đường dây.
Căn cứ vào số mô mình mô phỏng và phương pháp nghiên cứu sẽ tiến hành thử
nghiệm trên mô hình mô phỏng và đánh giá độ chính xác cũng như ưu nhược điểm của
phương pháp.