Luận án tiến sĩ: Phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

Phương pháp nhận dạng ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện sử dụng sóng lan truyền. Tìm hiểu kỹ thuật bảo vệ hệ thống điện lực hiện đại.

• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Hoài Linh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

Nhận dạng sự cố ngắn mạch là nhiệm vụ quan trọng trong vận hành hệ thống điện. Sự cố xảy ra gây mất ổn định, hư hỏng thiết bị và gián đoạn cung cấp điện. Các phương pháp truyền thống dựa trên đo lường từ một phía hoặc hai phía có nhiều hạn chế về độ chính xác. Phương pháp hiện đại sử dụng sóng lan truyền và trí tuệ nhân tạo đang được nghiên cứu rộng rãi. Luận án tiến sĩ tập trung phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. Từ đó đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp với điều kiện lưới điện Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

1.1. Phương pháp định vị sự cố đo lường từ một phía

Phương pháp đo lường từ một phía sử dụng dữ liệu dòng điện và điện áp tại một đầu đường dây. Phương pháp điện kháng đơn tính khoảng cách dựa trên trở kháng đường dây. Phương pháp Takagi cải tiến cho kết quả chính xác hơn với điều kiện tải thay đổi. Các phương pháp này đơn giản, dễ triển khai nhưng bị ảnh hưởng bởi điện trở lỗi và điều kiện vận hành phức tạp.

1.2. Phương pháp định vị sự cố đo lường từ hai đầu

Phương pháp đo lường từ hai đầu thu thập dữ liệu đồng thời tại cả hai trạm biến áp. Kỹ thuật này loại bỏ ảnh hưởng của điện trở lỗi và tải. Phương pháp sử dụng mạng nơron nhân tạo học các mẫu sự cố để nhận dạng. Phương pháp sóng lan truyền phân tích thời gian lan truyền từ điểm sự cố đến hai đầu. Độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu đồng bộ thời gian chính xác và đầu tư thiết bị nhiều hơn.

II. Phân tích vấn đề nhận dạng sự cố ngắn mạch hiện tại

Các phương pháp truyền thống gặp nhiều thách thức trong thực tế vận hành. Đo lường từ một phía bị sai số lớn khi điện trở lỗi thay đổi. Đo lường từ hai phía đòi hỏi đồng bộ thời gian GPS chính xác micro giây. Mạng nơron cần lượng dữ liệu huấn luyện lớn và khó thích ứng lưới điện thay đổi. Sóng lan truyền bị suy giảm và phản xạ phức tạp trên đường dây dài. Đường dây có nhánh rẽ tạo thêm điểm phản xạ gây nhiễu tín hiệu. Điều kiện thời tiết, tải thay đổi và cấu hình lưới phức tạp ảnh hưởng lớn đến độ chính xác. Cần giải pháp mới khắc phục các hạn chế trên.

2.1. Hạn chế của phương pháp sóng lan truyền truyền thống

Phương pháp sóng lan truyền truyền thống dựa trên sóng phát sinh từ điểm sự cố. Tín hiệu sóng suy giảm nhanh trên đường dây dài trên 200 km. Các điểm phản xạ tại trạm biến áp và nhánh rẽ tạo tín hiệu nhiễu. Việc xác định thời gian đến của sóng chính gặp khó khăn do méo sóng. Độ phân giải thời gian thiết bị thu thập ảnh hưởng trực tiếp đến sai số định vị.

2.2. Thách thức áp dụng mạng nơron trong nhận dạng sự cố

Mạng nơron nhân tạo yêu cầu dữ liệu huấn luyện phong phú từ nhiều kịch bản sự cố. Mô hình huấn luyện trên lưới điện này chưa chắc phù hợp lưới điện khác. Thời gian tính toán và khả năng thích ứng thời gian thực còn hạn chế. Kết quả phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào và kiến trúc mạng. Việc giải thích lý do ra quyết định của mạng nơron còn khó khăn với vận hành viên.

III. Các phương pháp hiện đại đề xuất trong luận án tiến sĩ

Luận án đề xuất phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động cho đường dây không có nhánh rẽ. Phương pháp phát xung tín hiệu từ đầu đường dây rồi phân tích sóng phản xạ từ điểm sự cố. Sử dụng tín hiệu hình chirp để tăng độ chính xác xác định thời gian phản xạ. Đường dây có nhiều nhánh rẽ được xử lý bằng thuật toán phân tích đa phản xạ. Mô hình mô phỏng sử dụng Simulink với đường dây thông số rải phân tán. Các dạng ngắn mạch một pha, hai pha, hai pha chạm đất và ba pha được kiểm nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số định vị dưới 1 phần trăm chiều dài đường dây.

3.1. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động

Phương pháp chủ động phát xung điện áp một chiều hoặc tín hiệu chirp vào đầu đường dây. Sóng lan truyền gặp điểm sự cố sẽ phản xạ về đầu đường dây. Bằng cách phân tích thời gian giữa xung phát và sóng phản xạ, vị trí sự cố được tính toán. Tín hiệu chirp cho phép lọc nhiễu tốt hơn nhờ tính tương quan cao. Phương pháp áp dụng được cho cả đường dây không có nhánh rẽ và có nhánh rẽ.

3.2. Mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả

Mô hình đường dây thông số rải phân tán được xây dựng trong Simulink. Tham số đường dây tính theo mô hình kinh điển đã được thực nghiệm kiểm chứng. Khối phát xung tín hiệu một chiều và chirp được thiết kế để thử nghiệm. Các kịch bản ngắn mạch tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây được mô phỏng. Kết quả cho thấy phương pháp đạt sai số nhỏ, phù hợp ứng dụng thực tế trong hệ thống bảo vệ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu nhận dạng sự cố

Luận án hoàn thành mục tiêu nghiên cứu phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động cho kết quả chính xác và tin cậy. Kỹ thuật sử dụng tín hiệu chirp cải thiện khả năng chống nhiễu đáng kể. Nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho phát triển hệ thống bảo vệ đường dây truyền tải. Kết quả có thể áp dụng cho lưới điện cao thế Việt Nam và các nước đang phát triển. Công trình được công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín. Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào ứng dụng trí tuệ nhân tạo kết hợp sóng lan truyền.

4.1. Đóng góp khoa học của luận án tiến sĩ

Luận án đóng góp mô hình toán học mô tả quá trình lan truyền sóng trên đường dây có nhánh rẽ. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động là cải tiến mới so với phương pháp truyền thống. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý luận cho thiết bị bảo vệ thế hệ mới. Các công bố khoa học từ luận án được hội đồng đánh giá cao về tính sáng tạo.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong hệ thống điện Việt Nam

Kết quả nghiên cứu áp dụng được cho lưới truyền tải điện quốc gia do Tổng công ty Truyền tải điện quản lý. Phương pháp hỗ trợ vận hành viên xác định nhanh vị trí sự cố để xử lý kịp thời. Thiết bị dựa trên nguyên lý đề xuất có chi phí thấp, phù hợp điều kiện trong nước. Nghiên cứu mở đường cho hợp tác giữa trường đại học và doanh nghiệp điện lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về các phương pháp nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện, ưu và nhược điểm của các phương pháp này từ đó tác giả đề xuất các mục tiêu và giải pháp trong luận án. Giới thiệu chung Một hệ thống điện bao gồm máy phát, hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy phát điện và phụ tải thường ở xa nhau do đó cần phải có một hệ thống truyền tải gồm nhiều đường dây và trạm biến áp. Sự tăng trưởng nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua đã dẫn đến tăng một lượng lớn số lượng các đường dây và tổng chiều dài của nó.

Những đường truyền này gặp nhiều sự cố do sét, ngắn mạch, thiết bị lỗi, lỗi do vận hành, tình trạng quá tải và lão hóa. Nhiều lỗi do phá hủy về cơ khí, mà cần phải có sửa chữa trước khi đưa hệ thống trở về để phục vụ. Sự cố có thể được giải quyết nhanh nếu vị trí sự cố được ước tính với độ chính xác hợp lý. Sự cố gây ra ngắn mạch có thể gây mất điện dài hạn cho khách hàng và có thể dẫn đến thiệt hại lớn cho các ngành công nghiệp sản xuất cũng như ảnh hưởng đến an ninh, văn hóa, chính trị.

Phát hiện nhanh chóng, cô lập, định vị và sửa chữa các sự cố là ưu tiên trong việc duy trì một hệ thống điện tin cậy [2], [5], [13]. Theo [3] hiện nay lưới điện 110kV có nhiều đoạn có nhiều nhánh rẽ khác nhau, đặc biệt là các tỉnh trung du và miền núi, việc xác định vị trí sự cố gặp nhiều khó khăn do địa hình đồi núi phức tạp, thêm vào đó là đường dây có nhiều nhánh rẽ gây khó khăn cho việc xác định chính xác vị trí sự cố. Thời gian phục hồi cũng bao gồm thời gian để tìm ra vị trí sự cố. Quá trình phục hồi sẽ nhanh hơn khi việc xác định chính xác vị trí sự cố xẩy ra với thời gian ngắn nhất có thể.

Các quy trình sửa chữa và bảo trì nhanh chóng, hiệu quả sẽ trực tiếp dẫn đến cải thiện độ tin cậy cung cấp điện cho mạng lưới, do đó nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống. Trong một thị trường hướng đến cạnh tranh từ nguồn cấp, truyền tải đến phân 7 phối điện thì tiết kiệm thời gian, công sức và giảm thời gian mất điện có thể làm giảm chi phí hoặc làm tăng lợi nhuận. Trong luận án này đã phát triển phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động theo miền thời gian và tần số để định vị sự cố trong đường truyền tải điện có nhiều nhánh rẽ. Phương thức này cho thấy một giải pháp kinh tế kỹ thuật đầy hứa hẹn cho ngành điện.

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 đường dây. Ta có thể thấy có các phương pháp định vị chính sau đây:  Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây [46], [47], [52], [60], [70], [84], [86].  Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây [27], [36], [38], [41], [42], [50], [65], [80].  Phương pháp sử dụng mạng nơron [26], [34], [35], [55], [56], [58], [61], [68], [71], [76], [87].

 Phương pháp định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền từ điểm sự cố [24], [25], [30], [78].  Phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện dựa trên sóng lan truyền từ đầu đường dây [37], [45], [54], [62], [63], [66], [75], [79]. Phương pháp đo lường từ một phía Trong phương pháp này vị trí sự cố được xác định từ các kết quả đo lường từ 1 đầu của đường dây [70], [83]. Để xác định dạng sự cố giá trị điện áp và dòng điện ở tất cả các pha phải được xác định.

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là m (%) trên đường dây AB như trong Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp Hình 1.2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp trong đó:  x - phần trăm khoảng cách đến điểm sự cố (khoảng cách từ đầu đường dây dến điểm sự cố/ tổng khoảng cách của đường dây).  VA- điện áp tại đầu nguồn A.  ZL- tổng trở của đường dây.  IF- dòng điện sự cố.

 RF- điện trở sự cố Từ đó có thể dẫn ra một số phương pháp như phương pháp điện kháng đơn, phương pháp Takagi, phương pháp Takagi cải tiến. Phương pháp điện kháng đơn Trong phương pháp điện kháng đơn [70], [83], các giá trị dòng điện và điện áp đo được sẽ được sử dụng để xác định trở kháng của đường dây đến vị trí sự cố, căn cứ vào đó xác định được vị trí sự cố theo công thức: VA  xZ L IA  RF IF (1.1) 9 Từ biểu thức (1.1) dẫn tới vị trí sự cố được tính theo công thức (1. Phương pháp Takagi Để nâng cao độ chính xác so với phương pháp điện kháng đơn, nhằm giảm bớt sai số do ảnh hưởng của điện trở sự cố và dòng tải. Phương pháp Takagi xét các tín hiệu trước và sau khi xuất hiện sự cố theo [70].

Vị trí sự cố được xác định theo biểu thức (1.3) Im(Z L  IA  I*A ) trong đó:  IA  IA  IL với IL là dòng điện trước khi xẩy ra sự cố.   I *A  phức liên hợp của IA. Phương pháp Takagi cải tiến Theo [83] phương pháp Takagi cải tiến không sử dụng đến các tín hiệu tại thời điểm trước khi có sự cố mà sử dụng dòng điện thứ tự không. Vị trí sự cố trong phương pháp này được xác định theo biểu thức (1.e j ) trong đó:   là góc của dòng điện thứ tự không *  IR là dòng điện thứ tự không, I R là số phức liên hợp của dòng điện thứ tự không.

Phương pháp điện kháng đơn có ưu điểm là đơn giản trong tính toán, dễ dàng cho lắp đặt nhưng có độ chính xác không cao do không xét đến ảnh hưởng của dòng điện thứ tự không cũng như hỗ cảm giữa các đường dây. 10 Phương pháp Takagi có độ chính xác cao hơn phương pháp điện kháng đơn nhưng lại phải xét cả tín hiệu trước và sau sự cố dẫn đến phức tạp cho thiết bị. Phương pháp Takagi cải tiến đã giúp đơn giản hóa phương pháp Takagi nhưng lại yêu cầu xác định góc pha của dòng điện thứ tự không. Các sai lệch do yêu cầu thông số tín hiệu trước sự cố hay góc pha dòng điện thứ tự không dẫn tới sai số của 2 phương pháp này.

Phương pháp đo lường từ một đầu đường dây được sử dụng trong xác định vị trí sự cố trong các rơle khoảng cách được nhiều hãng trên thế giới sử dụng, áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam. 1: Tổng hợp sự cố ở đường dây truyền tải điện 110kV của Công Ty Lưới điện Cao thế miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 và 2012 Bảo vệ khoảng Lần Sự cố cột Nguyên nhân sự cố Sai số (m) cách báo (km) 1 9,2 Giữa 42, 43 Do cây đổ 800 2 11,2 Giữa 60, 61 Mắc diều 1000 3 12,8 59 Sét đánh 1200 4 22,2 11 Sét đánh 800 5 5,9 39 Sét đánh 600 6 7 32 Sét đánh 700 7 18,3 Không thấy Không rõ nguyên nhân 8 27 28 Sét đánh 900 Theo [7] sai số đối với thuật toán là ±2,5km đối với đường dây có chiều dài đến 100km. [7] đã trình bày kết quả thử nghiệm chức năng định vị sự cố của rơle khoảng cách GRZ100 của hãng Toshiba tại TBA 110kV Cầu Đỏ - Đà Nẵng. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số đối với đường dây có 2 nguồn cấp là 1,25km.

Theo [16] kết quả thực tế báo sự cố của Công ty Lưới điện Cao thế miền Bắc – chi nhánh Thái Nguyên và [16] cho thấy đối với các lộ đường dây có 1 nguồn cấp, có kết cấu đơn giản không có các nhánh rẽ, với các sự cố đơn giản cho kết quả xác định vị trí sự cố khá chính xác. Đối với sự cố phức tạp như có hồ quang lớn hay đường dây phức tạp như có nhiều nhánh rẽ, có nhiều lộ trên một hệ thống cột, có nhiều nguồn cấp thì phương pháp 11 điện kháng đơn cho độ chính xác thấp, nhiều trường hợp nhầm lẫn, không xác định được vị trí sự cố. Phương pháp đo lường từ hai đầu Theo các tài liệu [27], [36], [38], [41], [42], [50], [65], [80] 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 [27], [41] vì không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn cũng như ảnh hưởng của điện trở sự cố.

Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây AB như trong 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: 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: U F  U A  IA  x  Z D (1.6) trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB. Trừ hai phương trình cho nhau: U A  U B  IB  Z D  x  Z D  ( IA  IB ) (1.7) Khoảng cách đến điểm sự cố được tính ra từ phương trình trên: U A  U B  IB  Z D X (1.8) Z D  ( IA  IB ) 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.