Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - Năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8.52.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ TRUNG HẢI

Thái Nguyên - Năm 2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Kiều Linh
Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định

vị trí sự cố trên đường dây tải điện.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.
Mã số: : 8.52.02.01
Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với
các nội dung sau:
- Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn.
- Sửa lại kết luận chương 1, chương 2 và kết luận chung của luận văn cho phù
hợp hơn.
- Bổ sung thêm các danh mục hình vẽ, bảng biểu.
Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020
Cán bộ hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Đỗ Trung Hải

Lê Kiều Linh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tơi, luận văn
này khơng giống hồn tồn bất cứ luận văn hoặc các cơng trình đã có trước đó.
Ngồi các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mơ
phỏng, thời gian thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ Đỗ Trung Hải.
Tác giả luận văn

Lê Kiều Linh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết ...........................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ..............................................................................................1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1
5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................1
6. Nội dung luận văn ...................................................................................................2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN ...........................................................................3
1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................3
1.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố............................................................3
1.2.1. Phương pháp tính tốn dựa trên trở kháng (đo lường một phía)[11,12].......3
1.2.1.1. Phương pháp điện kháng đơn ................................................................4
1.2.1.2. Phương pháp TAKAGI..........................................................................6
1.2.1.3. Phương pháp TAKAGI cải tiến .............................................................7
1.2.2. Phương pháp đo lường từ hai phía [13,14] ...................................................8
1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự
cố .............................................................................................................................9
1.2.4. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu
đường dây..............................................................................................................10
1.3. Kết luận chương 1 ..............................................................................................10
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG TRÊN

ĐƯỜNG

DÂY TẢI ĐIỆN ...........................................................................................................11
2.1. Mơ hình đường dây truyền tải điện [2,4] ...........................................................11
iii


2.2. Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6] ...............................................13
2.2.1. Tổng trở sóng ZC .........................................................................................13
2.2.2. Hệ số truyền sóng  .....................................................................................14
2.2.3. Vận tốc truyền sóng v .................................................................................14
2.3. Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố [3,4] ....................................15
2.3.1. Sóng lan truyền trên đường dây khơng có sự cố với tải cuối đường dây
thuần trở ................................................................................................................17

2.3.2. Sóng lan truyền trên đường dây khơng có sự cố với tải cuối đường dây
dạng (R nt L): ........................................................................................................17
2.3.3. Sóng lan truyền trên đường dây khơng có sự cố với tải cuối đường dây
dạng (R|| L): ..........................................................................................................18
2.3.4. Sóng lan truyền trên đường dây khơng có sự cố với tải cuối đường dây
dạng (R ||C): ..........................................................................................................19
2.3.5. Sóng lan truyền trên đường dây khơng có sự cố với tải cuối đường dây
dạng (R nt C):........................................................................................................20
2.4. Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố ....................................20
2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................21
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ
TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN .......................................22
3.1. Phân tích phổ bằng Wavelet [1,9] ......................................................................22
3.1.1. Thuật tốn Wavelet phân tích sóng phản hồi..............................................24
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của phân tích Wavelet để xác định
thời điểm sóng phản hồi. .......................................................................................27
3.2. Mạng nơron mờ và ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản hồi [1,10]....27
3.2.1. Quy tắc suy luận mạng TSK .......................................................................27
3.2.2. Mơ hình mạng nơron mờ TSK ....................................................................29
3.2.3. Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK ...................................................31
3.2.4. Khởi tạo mạng nơron cho quá trình học .....................................................35
3.2.5. Thuật tốn phân cụm trừ mờ .......................................................................35
3.2.6. Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản hồi ....................................37
3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................39
iv


CHƯƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG..............................40
4.1. Phần mềm Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện [8] .......................40
4.1.1. Thư viện Sources ........................................................................................40

4.1.2. Thư viện hiện thị Sinks ...............................................................................42
4.1.3. Thư viện SimPowerSystems .......................................................................42
4.1.4. Thư viện nguồn ...........................................................................................43
4.1.5. Thư viện Elements ......................................................................................44
4.2. Mơ phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài để xác định vận tốc truyền sóng
...................................................................................................................................47
4.2.1. Mơ hình mơ phỏng ......................................................................................47
4.2.2. Kết quả mơ phỏng .......................................................................................49
4.3. Mơ phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài khơng phân nhánh khi đường dây
có sự cố......................................................................................................................51
4.3.1. Mơ hình mơ phỏng ......................................................................................51
4.3.2. Kết quả mô phỏng một số loại sự cố khác nhau .........................................51
4.3.2.1. Ngắn mạch 1 pha .................................................................................51
4.3.2.2. Ngắn mạch 3 pha chạm đất .................................................................53
4.3.2.3. Ngắn mạch 2 pha chạm đất .................................................................54
4.4. Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK ...........................56
4.5. Kết luận chương 4 ..............................................................................................60
KẾT LUẬN ..................................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................62
PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG NEURON ...................64
PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TRA MẠNG NƠRON ............................75

v


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Ký hiệu

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

Vinc

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

V
V

V

Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện

I

Dòng điện

A

l

Chiều dài đường dây

km

Chiều dài từ đầu đường dây đến điểm sự cố

km

Rf

Điện trở sự cố



IF

Dòng điến sự cố

A

ZL

Tổng trở của đường dây





hệ số khúc xạ



hệ số phản xạ

Lfault

vi

Km/s

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất ..........................53
Bảng 2: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất ..........................54
Bảng 3: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất ..........................56
Bảng 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất ..........................59
sau khi sử dụng mạng noron để hiệu chỉnh sai số .........................................................59
Bảng 5: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất ..........................60
sau khi chạy qua mạng noron để hiệu chỉnh sai số .......................................................60
Bảng 6: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất ..........................60
sau khi sử dụng mạng noron để hiệu chỉnh sai số .........................................................60

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện
kháng đơn ........................................................................................................................5
Hình 1.2. Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn ...........6
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp ...........................8
Hình 1.4. Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố ................................................................8
Hình 1.5. Sự lan truyền và phản xạ của sóng dịng điện trên đường dây ......................10
Hình 2.1. Mơ hình đường dây truyền tải hình PI một pha ............................................11
Hình 2.2. Mơ hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình PI ba pha ......................12
Hình 2.3. Mơ hình Petersen tương đương để giải bài tốn truyền sóng ........................16
Hình 2.4. Mơ hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở............................17
Hình 2.5. Mơ hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L .......................17
Hình 2.6. Mơ hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L .........18
Hình 2.7. Mơ hình Petersen tương đương của mạch R song song C ............................19
Hình 2.8. Mơ hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C ................................ 20

Hình 3.1. Một số Wavelet kinh điển..............................................................................24
Hình 3.2. Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành
phần chi tiết và xấp xỉ ....................................................................................................25
Hình 3.3. Mạng nơron mờ TSK.....................................................................................30
Hình 3.4. Thuật tốn học mạng TSK .............................................................................33
Hình 3.5. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha ......................................38
Hình 3.6. Hình ảnh phóng to tín hiệu đầu đường dây ở hình bên .................................38
Hình 3.7. Minh họa về việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm to để
làm dữ liệu đưa vào mạng nơron ...................................................................................38
Hình 4.1. Thư viện các khối nguồn ...............................................................................40
Hình 4.2. Thư viện các khối hiển thị .............................................................................42
Hình 4.3. Thư viện cơng cụ mơ phỏng SimPowerSystems ...........................................43
Hình 4.4. Thư viện các khối nguồn trong SimPowerSystems .......................................43
Hình 4.5. Thư viện Elements trong SimPowerSystems ................................................44
Hình 4.6. Block cài đặt thơng số cho đường dây thơng số dải ......................................45
Hình 4.7. Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha ....................................................45
Hình 4.8. Block cài đặt thơng số cho cổng kết nối ........................................................46

viii


Hình 4.9. Thư viện các khối đo lường ...........................................................................46
Hình 4.10. Mơ hình các khối đo lường..........................................................................47
Hình 4.11. Mơ hình nguồn phát xung một chiều 3 pha .................................................48
Hình 4.12. Mơ hình mơ phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ
trên đường dây 3 pha khơng có sự cố ở giữa đường dây với nguồn phát xung 1 chiều
.......................................................................................................................................48
Hình 4.13. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải thuần trở Rtai=100() ...............49
Hình 4.14. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R || C ( Rtai=100(), C=1µF). ...49
Hình 4.15. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R nt L (Rtai=100(), L=10mH .50

Hình 4.16. Tín hiệu đầu đường dây đo được khi khơng có sự cố và hình ảnh phóng to
tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây ..........................................................................50
Hình 4.17. Sơ đồ mơ phỏng đường dây sự cố ...............................................................51
Hình 4.18. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................52
Hình 4.19. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=0,1mH. ..........................................................................................52
Hình 4.20. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................53
Hình 4.21. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=1mH ..............................................................................................54
Hình 4.22. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................55
Hình 4.23. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km,
Rfault=20 và Lfault=1mH ..............................................................................................55
Hình 4.24. Đồ thị đáp ứng đầu ra của mạng TSK .........................................................58
Hình 4.25. Đồ thị sai số giữa kết quả học và dữ liệu đầu vào .......................................58
Hình 4.26. Đồ thị hàm đáp ứng đầu ra kết quả kiểm tra của mạng TSK ......................58
Hình 4.27. Đồ thị sai số giữa kết quả kiểm tra và dữ liệu đầu vào ...............................59

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
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 điện năng 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 q 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 liên tục cung cấp điện.
Để góp phần rút ngắn thời gian phát hiện vị trí sự cố, đề tài “Nghiên cứu ứng
dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện” là cần
thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tìm hiểu q 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.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Đưa ra được những kiến thức, những bước cơ bản để ứng dụng phương pháp lý
thuyết mạng nơron để xác định sự cố trên đường dây truyền tải điện.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phát hiện vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 110 Kv không phân nhánh.
Ứng dụng lý thuyết mạng nơron để phân tích sóng phản hồi và xác định vị trí sự
cố.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp xác định điểm sự cố của lưới điện bằng mơ hình tốn.
Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý
thuyết.

1


6. Nội dung luận văn
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền
tải điện.
Chương 2: Nghiên cứu q trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện.
Chương 3: Ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường

dây truyền tải điện.
Chương 4: Các kết quả tính tốn và mô phỏng

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1. Đặt vấn đề
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
có thể xảy ra sự cố do thiên tai, thiết bị bị sự cố, sự cố điều khiển, sự cố do vận hành...
Các dạng sự cố này đều phải được phát hiện, cô lập và sửa chữa. Việc khôi phục
lại trạng thái làm việc bình thường của đường dây bị sự cố chỉ có thể được tiến hành
nhanh nhất nếu biết được chính xác vị trí sự cố hoặc ước lượng được gần đúng vị trí sự
cố.
Thời gian sự cố kéo dài dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế, gây mất ổn định
trong hệ thống điện... Như vậy việc nhanh chóng phát hiện, định vị, cơ 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.
Thời gian phục hồi lại trạng thái làm việc bình thường của các đường dây bị sự
cố bao gồm cả thời gian để tìm vị trí sự cố. Tính tốn ước lượng chính xác vị trí sự cố
giúp giảm thiểu thời gian khắc phục sự cố.
Hiện nay một số đường dây truyền tải điện 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, để
định vị sự cố trên đường dây truyền tải chính xác hơn một số phương pháp phát hiện
sự cố được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
1.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố
1.2.1. Phương pháp tính tốn dựa trên trở kháng (đo lường một phía)[11,12]

Trong phương pháp dựa trên trở kháng, sự vận hành của rơle khoảng cách phụ
thuộc rất nhiều vào điện trở sự cố và khơng hiệu quả trong trường hợp có điện trở sự
cố rất cao. 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.

3


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 dịng điện được thu thập. 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.
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 cịn tính tốn 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 tốn 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 thơng tin trong tín hiệu..., từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle
khoảng cách chưa được chính xác.
1.2.1.1. 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 tốn trở kháng của đường dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và được biểu diễn theo
phương trình (1.1).

U A  lsù cè  Z L  I A  U f

(1.1)

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.

U A  lsù cè  Z L  I A  R f  I f

4

(1.2)


Trong đó:
- If: dịng điện sự cố.
- Rf: điện trở sự cố được minh họa như hình vẽ
~

IA

ZA

Nguồn A

Z

B

lsuco.Z

(l-lsuco).Z

Đo lường
điện áp và
dịng điện

If

f

~
Nguồn B

Rf

Hình 1.1. Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện
kháng đơn
Khi trở kháng của đường dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã biết, khoảng cách sự cố
được xác định:

lsù

cè

UA 
I 

 A 
ZL

Rf
I 
ZL  A 
If 
 

(1.3)

Trong đó:
- Rf : điện trở sự cố.
- If : dịng điện sự cố.
Độ chính xác của phương pháp này chịu ảnh hưởng của các thông số sau:
Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố: Khi xảy ra sự cố, đặc biệt là sự cố một pha
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 thơng 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.
Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố: Góc lệch pha dịng điện
giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố 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,

5


vì vậy dịng điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép
định vị sự cố.

1.2.1.2. 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 vẽ:

~
Nguồn A

ZA

lsuco
IA . I  A

ZB

lsuco.Z
UA

Định vị
sự cố

U A

~

(l - lsuco).Z
Nguồn B
If

Rf U f

Hình 1.2. Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn
Điện trở sự cố được tính tốn theo biểu thức:

Rf 

U A  Z C  I A  tanh  lsuco
 U A

j
 Z tanh  lsuco  I A    e
 C


(1.4)

Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A được xác định theo biểu thức:
lsù

cè

Im(U A  I A* )

Im( Z L  I A  I A* )

(1.5)

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.
- IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.
- ZC: tổng trở đặc tính.

6

(1.6)


- : 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 : dịng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện
trước sự cố.
- U "A : điện áp xếp chồng, là sự chênh lệch giữa điện áp sự cố và điện áp trước sự
cố.
- I A* : ảnh phức liên hợp của I A .
1.2.1.3. Phương pháp TAKAGI cải tiến
Phương pháp Takagi cải tiến này cũng cịn được gọi là phương pháp dịng điện
thứ tự khơng. Phương pháp này không yêu cầu dữ liệu trước sự cố vì nó sử dụng dịng
điện thứ tự khơng thay vì xếp chồng dịng điện của sự cố chạm đất. Vị trí sự cố trong
phương pháp này được xác định:
lsù

cè

Im(U A  I R*  e  j  )


Im( Z1L  I A  I R*  e  j  )

(1.7)

Trong đó:
- IR: dịng điện thứ tự khơng, I R*  liên hợp phức của ảnh dòng điện thứ tự khơng.
- : góc dịng điện thứ tự khơng.
- 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.
Nhận xét:
- 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, ảnh hưởng của thành
phần thứ tự không hay của hỗ cảm giữa các đường dây.

7


- 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 thơng số của dịng 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.
- 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 dịng điện thứ tự 0. Đây cũng là một nguồn
sai số lớn của phương pháp.
1.2.2. Phương pháp đo lường từ hai phía [13,14]
Phương pháp đo lường tín hiệu từ hai đầu đường dây yêu cầu tín hiệu phải được

đo lường và đồng bộ từ cả hai đầu đường dây. Phương pháp này có độ chính xác cao
hơn các phương pháp đo lường từ một phía vì khơng bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn
cũng như ảnh hưởng của điện trở sự cố. Xét sự cố xảy ra cách trạm A một khoảng là x
(%) trên đường dây AB như trong hình vẽ
A

IA

B

IB
x

(1-x)
IF

RF

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 sau:
A

IA

(1-x)*ZD

F

IB

B

IF
UA

UF

RF

UB

Hình 1.4. Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố
Các dòng điện I A , I B và các điện áp U A , U B đo tại hai trạm được đồng bộ về
mặt thời gian:

8


U F  U A  I A  x  ZD

(1.8)

U F  U B  I B  (1  x)  ZD

(1.9)

Trong đó: ZD là tổng trở của đoạn đường dây AB.
Trừ hai phương trình cho nhau:
U A  U B  IB  ZD  x  ZD  (IA  IB )

(1.10)

Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định:
X

U A  U B  I B  ZD
ZD  (I A  I B )

(1.11)

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 dịng điện và điện áp thích hợp. Ví dụ, với sự cố chạm
đất một pha thì điện áp là của pha A, tuy nhiên dòng điện đưa vào tính tốn cần phải
bù thành phần thứ tự khơng. Trong thực tế, rất khó xác định đúng điện kháng thứ tự
khơng của đường dây, do đó việc tính tốn hệ số bù dịng thứ tự khơng sẽ khơng chính
xác và gây sai số.
1.2.3. 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
dịng điện và điện áp. Các sóng dịng, 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 vẽ. 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

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

9

(1.12)


Hình 1.5. 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.
1.2.4. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường
dây
Sử dụng một mạch phát xung (điện áp/dịng điện) vào đầu đường dây bị sự cố,
sau đó ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản hồi. Dựa trên việc phân tích tín hiệu phản
hồi 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 phương
pháp dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không

cần phải đồng bộ về thời gian.
1.3. Kết luận chương 1
Qua phân tích ở trên ta thấy có nhiều phương pháp để xác định vị trí sự cố trên
đường dây truyền tải điện. Mỗi phương pháp khác nhau có ưu, nhược điểm riêng, luận
văn nghiên cứu phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu
đường dây.

10


CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG TRÊN

ĐƯỜNG

DÂY TẢI ĐIỆN
2.1. Mơ hình đường dây truyền tải điện [2,4]
Đối với đường dây truyền tải, điện trở, điện cảm, và điện dung được phân bố đều
trên đường dây. Một mơ hình gần đúng của đường dây với tham số phân bố bằng cách
xếp chồng một vài phần có dạng hình PI giống nhau như hình vẽ.

Hình 2.1. Mơ hình đường dây truyền tải hình PI một pha
Trong mơ hình hình PI, số phần tử hình PI được sử dụng phụ thuộc vào dải tần số
và được xác định từ công thức:
f max 

N
v 8 l

(2.1)

Trong đó:
- N là số phần tử hình PI.
- v là vận tốc truyền sóng (km/s)

v

1
, với L (H/km), C (F/km).
LC

- l là chiều dài dây (km).
Với đường dây có phân đoạn ngắn thơng số RLC của mỗi phân đoạn được tính
như sau:

R  r0  lsec ; Lsec  l0  lsec ; C  C0  lsec
Trong đó:
- lsec là chiều dài một phân đoạn hình PI
- r0 (Ω/km) là điện trở trên một đơn vị chiều dài
- l0 (H/km) là điện cảm trên một đơn vị chiều dài
- C0 (F/km) là điện dung trên một đơn vị chiều dài.

11

(2.2)


Mơ hình đường dây hình PI ba pha với các tham số trong một phân đoạn PI như
hình vẽ.

Hình 2.2. Mơ hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình PI ba pha

Trong đó:
- Rs là điện trở của đường dây ba pha.
- Rm là điện trở hỗ cảm của đường dây ba pha.
- Ls là điện cảm của đường dây dây ba pha.
- Lm là điện cảm hỗ cảm của đường dây dây ba pha.
- Cp là điện dung giữa các pha.
- Cg là điện dung giữa pha với đất.
Các thông số thứ tự thuận và thứ tự không của đường dây được tính như sau:
R1  r1  l sec  k r1
L1  l1  l sec  k l1
C1  c1  l sec  k c1

(2.3)

R 0  r0  l sec  k r0
L0  l0  l sec  k l0
Co  c0  l sec  k c0

Trong đó:
- r0 (Ω/km) là điện trở thứ tự không trên một đơn vị chiều dài.
- r1 (Ω/km) là điện trở thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài.
- l0 (H/km) là điện cảm thứ tự không trên một đơn vị chiều dài.
- l1 (H/km) là điện cảm thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài.
- c0 F/km) là điện dung thứ tự không trên một đơn vị chiều dài.
- c1 (F/km) là điện dung thứ tự thuận trên một đơn vị chiều dài.

12


- lsec là một phân đoạn hình PI.

- kr1, kl1, kc1, kr0, kl0, kc0 là các hệ số điều chỉnh.
Đối với đoạn đường dây ngắn, các hệ số điều chỉnh này thay đổi không đáng kể
gần như đồng nhất. Tuy nhiên, đối với đường dây dài, những hệ số này phải được tính
đến để có được mơ hình đường dây chính xác ở tần số xác định.
Các thơng số R,L,C của mỗi đoạn hình PI được xác định như sau:
2R1  R 0
3
2L  L 0
Ls  1
3
C p  C1
Rs 

(2.4)

R 0  R1
3
L  L1
Lm  0
3
3C  C
Cg  1 0
C1  C0
Rm 

2.2. Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6]
Sóng lan truyền trên đường dây bao gồm:
- Sóng thuận u+(x,t)
- Sóng ngược u-(x,t)
Các thơng số đặc trưng cho sự truyền sóng trên đường dây dài bao gồm:

- Tổng trở sóng ZC
- Hệ số tắt 
- Hệ số pha 
- Vận tốc truyền sóng v
2.2.1. Tổng trở sóng ZC
Tổng trở sóng của đường dây là mối quan hệ giữa sóng điện áp và sóng dịng
điện của đường dây. ZC phụ thuộc vào các thông số của đường dây (R0, L0, C0, G0),
phụ thuộc vào tần số và được xác định.

13


ZC 

Z0
R 0  j L 0

 Z0e j
Y0
G 0  jG o

(2.5)

2.2.2. Hệ số truyền sóng 
Đặc trưng cho q trình truyền sóng trên đường dây, chúng phụ thuộc vào các
thông số cơ bản của đường dây và tần số.
    j  ZY

(2.6)

Trong đó:
-  [nep/km] là hệ số tắt (hệ số suy giảm của biên độ).
-  [rad/km] là hệ số pha (độ biên thiên góc pha của sóng khi truyền dọc đường
dây).
2.2.3. Vận tốc truyền sóng v
Sóng thuận và sóng ngược lan truyền với vận tốc như nhau và được xác định

v

 2

f   f
 

(2.7)

Trong đó:  là bước sóng, f là tần số.
Các đường dây trong thực tế thường có giá trị điện trở, điện dẫn thường rất nhỏ
so với điện cảm và điện dung. Khi xét đường dây dài ở chế độ truyền sóng, nếu bỏ qua
thành phần điện trở của đường dây, ta có các thơng số truyền sóng được xác định như
sau:
- Tổng trở dọc: Z0  jL0
- Tổng dẫn ngang: Y0  jC0
- Hệ số truyền sóng:   Z0  Y0  j L0  C0
- Hệ số suy giảm:   0;
- Hệ số pha:    L0  C0
- Vận tốc truyền sóng: v 

- Tổng trở sóng: ZC 





1
L 0  C0

L0
là điện trở thuần.
C0

14