Mô Phỏng Hệ Thống Rơle Bảo Vệ Bằng Matlab Simulink Và Ứng Dụng Vào Mạng Lưới Micro Grid

Chuyên khảo phân tích Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng matlab simulink và ứng dụng mô phỏng vào mạng lưới miro grid, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Bùi Huy Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đức Huy
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Mô Phỏng Hệ Thống Rơle Bảo Vệ Bằng Matlab Simulink Và Ứng Dụng Mô Phỏng Vào Mạng Lưới Micro Grid
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích, ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN
• 2.1. Nguyên tắc tác động
• 2.2. Bảo vệ dòng điện cực đại
• 2.2.1. Tính toán dòng khởi động
• 2.2.2. Độ nhạy của bảo vệ
• 2.2.3. Thời gian tác động của bảo vệ
• 2.3. Bảo vệ dòng điện cắt nhanh
• 2.3.1. Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có một nguồn cung cấp
• 2.3.2. Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có hai nguồn cung cấp
• 2.4. Bảo vệ dòng điện cực đại có kiểm tra áp
• 2.5. Bảo vệ dòng điện ba cấp
• 2.6. Đánh giá bảo vệ quá dòng điện
• 3. CHƯƠNG 3: BẢO VỆ SO LỆCH
• 3.1. Nguyên tắc tác động
• 3.1.1. Sơ đồ vòng tuần hoàn
• 3.1.2. Sơ đồ loại cân bằng áp
• 3.2. Dòng không cân bằng trong bảo vệ so lệch
• 3.3. Dòng điện khởi động của bảo vệ so lệch dòng điện
• 3.4. Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của bảo vệ
• 3.4.1. Nối các rơle qua máy biến dòng trung gian bão hòa
• 3.4.2. Rơle so lệch có hãm
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG RƠLE BẢO VỆ TRÊN MATLAB SIMULINK
• 4.1. Mô phỏng tính toán bảo vệ quá dòng trên Matlab Simulink
• 4.2. Thiết lập thông số đầu vào và xây dựng sơ đồ mô phỏng
• 4.3. Lưu đồ giải thuật bảo vệ quá dòng
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 4.5. Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch dọc áp dụng trên mạng lưới Micro Grid
• 4.5.1. Mô hình mô phỏng hệ thống Micro Grid
• 4.5.2. Lưu đồ giải thuật bảo vệ so lệch
• 4.5.3. Kết quả mô phỏng
• 4.6. Đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của tần số lên bảo vệ so lệch
• 4.6.1. Thiết lập thông số đầu vào cho nguồn 220kV
• 4.6.2. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các kết luận chính
• 5.2. Hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Rơle Bảo Vệ trong Micro Grid

Luận văn tập trung vào nghiên cứu sự phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng, bảo vệ so lệch dọc, cùng với độ chính xác và tin cậy của rơle bảo vệ khi có sự cố từ trên đường dây hoặc từ nhà máy năng lượng tái tạo điện gió Micro Grid. Mục tiêu là mô phỏng lại đường dây và các sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phần mềm Matlab Simulink. Nghiên cứu này dựa trên các tài liệu lý thuyết trong và ngoài nước, đặc biệt là sách 'Design, modeling and evaluation of protective relays for power systems' của nhóm tác giả M Kezunovic. Matlab Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình thuật toán của các rơle bảo vệ, từ đó mô phỏng lại đường dây, hệ thống Micro Grid và các sự cố ngắn mạch. Cuối cùng, so sánh, đối chiếu kết quả và đưa ra nhận xét.

1.1. Lý Do Chọn Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Điện

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, các sự cố ngắn mạch, quá tải và các tình huống làm việc bất thường của các phần tử có thể xảy ra. Sự cố thường đi kèm với sự tăng đột ngột của dòng điện và giảm điện áp. Việc nghiên cứu giải thuật, nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch dọc bằng Matlab/Simulink cho phép xây dựng mô hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật khác nhau. Kết hợp với các khối thiết bị có sẵn trong thư viện mô phỏng, có thể tiến hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơle. Điều này giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến sự làm việc của rơle bảo vệ và đưa ra các điều chỉnh phù hợp.

1.2. Mục Tiêu và Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Mô Phỏng Rơle

Đề tài 'Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng Matlab Simulink và ứng dụng mô phỏng vào mạng lưới Micro Grid' được thực hiện nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của rơle bảo vệ quá dòng và rơle bảo vệ so lệch dọc. Đồng thời, thực hiện các mô phỏng sự làm việc của chúng dựa trên MATLAB/Simulink. Từ đó, áp dụng mô phỏng bảo vệ so lệch dọc vào hệ thống lưới điện Micro Grid có máy phát điện gió. Việc mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các thuật toán bảo vệ rơle trong các điều kiện vận hành khác nhau.

II. Bảo Vệ Quá Dòng Điện Nguyên Tắc Tính Toán Cơ Bản

Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ) là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. BVQDĐ có thể là bảo vệ dòng điện cực đại (BVDĐCĐ) hoặc bảo vệ dòng điện cắt nhanh (BVCN). Sự khác biệt nằm ở cách đảm bảo yêu cầu tác động chọn lọc và vùng bảo vệ tác động. BVDĐCĐ sử dụng thời gian trễ thích hợp để đảm bảo tác động chọn lọc, trong khi BVCN chọn dòng khởi động thích hợp. Vùng bảo vệ của BVDĐCĐ bao gồm cả phần tử được bảo vệ và lân cận, còn BVCN chỉ bảo vệ một phần của phần tử được bảo vệ.

2.1. Phân Loại và Nguyên Tắc Tác Động Của Bảo Vệ Quá Dòng

Với bảo vệ dòng điện cực đại, khi làm việc có thời gian trì hoãn lại được chia thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hoãn. Khi thời gian trì hoãn được lựa chọn một cách độc lập không phụ thuộc vào các thông số khác trong quá trình hoạt động ta có loại “rơle đặc tính thời gian độc lập”. Khi thời gian trì hoãn phụ thuộc dòng điện qua bảo vệ ta có loại “rơle đặc tính thời gian phụ thuộc”. Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính: Bộ phận khởi động và bộ phận tạo thời gian trì hoãn.

2.2. Tính Toán Dòng Khởi Động Cho Rơle Bảo Vệ Quá Dòng

Theo nguyên tắc tác động, dòng khởi động I kd của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ. Tuy nhiên, việc lựa chọn dòng khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Đối với các rơle quá dòng điện, dòng điện khởi động thường được chọn theo điều kiện: I kd = (kat × kmm × I lvmax)/ktv. Trong đó các hệ số kat, kmm, ktv được chọn dựa trên các yếu tố như dòng điện làm việc lớn nhất, hệ số an toàn, hệ số mở máy của phụ tải.

III. Mô Phỏng Rơle Bảo Vệ So Lệch Ứng Dụng trong Micro Grid

Bảo vệ so lệch là một phương pháp bảo vệ hệ thống điện dựa trên việc so sánh dòng điện vào và ra khỏi một vùng được bảo vệ. Nếu có sự khác biệt đáng kể giữa hai dòng điện này, điều đó chỉ ra có sự cố xảy ra trong vùng và rơle bảo vệ sẽ tác động. Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch trong Matlab Simulink giúp kiểm tra và đánh giá hiệu quả của thuật toán bảo vệ trong các tình huống khác nhau, đặc biệt trong mạng lưới Micro Grid với nhiều nguồn năng lượng phân tán.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động và Sơ Đồ Mạch Bảo Vệ So Lệch

Bảo vệ so lệch hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh dòng điện vào và dòng điện ra khỏi một vùng bảo vệ. Khi không có sự cố, tổng dòng điện vào bằng tổng dòng điện ra và rơle không tác động. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố bên trong vùng bảo vệ, sự khác biệt giữa dòng điện vào và dòng điện ra sẽ tạo ra dòng điện so lệch, làm rơle tác động và cắt mạch.

3.2. Các Biện Pháp Nâng Cao Độ Nhạy Cho Bảo Vệ So Lệch

Để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của bảo vệ so lệch, một số biện pháp thường được sử dụng. Ví dụ, nối các rơle qua máy biến dòng trung gian bão hòa (MBI). Các loại MBI bao gồm MBI bão hòa loại thường và MBI loại tác động mạnh. Ngoài ra, sử dụng rơle so lệch có hãm cũng là một giải pháp hiệu quả để tránh tác động sai do dòng không cân bằng.

3.3. Ứng Dụng Bảo Vệ So Lệch Trong Mạng Lưới Micro Grid

Việc ứng dụng bảo vệ so lệch trong mạng lưới Micro Grid là rất quan trọng để bảo vệ các thành phần như máy phát, máy biến áp và đường dây. Micro Grid thường có nhiều nguồn năng lượng phân tán, do đó sự phối hợp bảo vệ trở nên phức tạp. Mô phỏng giúp kiểm tra và tối ưu hóa các cài đặt của rơle so lệch để đảm bảo tác động chính xác và nhanh chóng khi có sự cố.

IV. Matlab Simulink Công Cụ Mô Phỏng Hệ Thống Rơle Bảo Vệ

Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống điện, bao gồm cả rơle bảo vệ. Với Simulink, có thể xây dựng mô hình chi tiết của các rơle, đường dây, máy biến áp và các thành phần khác của hệ thống điện. Sau đó, tiến hành mô phỏng các sự cố khác nhau và phân tích hoạt động của rơle bảo vệ.

4.1. Xây Dựng Mô Hình Rơle Quá Dòng Trong Simulink

Để xây dựng mô hình rơle quá dòng trong Simulink, cần thiết lập các thông số đầu vào như dòng điện định mức, thời gian tác động, và các thông số của đường dây. Sau đó, sử dụng các khối chức năng có sẵn trong thư viện Simulink để mô phỏng các thành phần của rơle, bao gồm bộ phận khởi động, bộ phận tạo thời gian trễ và bộ phận cắt.

4.2. Thiết Lập Thông Số và Xây Dựng Sơ Đồ Mô Phỏng

Việc thiết lập thông số cho các khối nguồn, đường dây, phụ tải là bước quan trọng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Thông số đường dây bao gồm điện trở, điện cảm và điện dung trên một đơn vị chiều dài. Thông số phụ tải bao gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng.

4.3. Lưu Đồ Giải Thuật Rơle Quá Dòng trong Simulink

Lưu đồ giải thuật của rơle quá dòng mô tả quá trình hoạt động của rơle từ khi phát hiện dòng điện vượt quá ngưỡng đặt đến khi phát tín hiệu cắt. Lưu đồ này bao gồm các bước như đo dòng điện, so sánh với ngưỡng đặt, tạo thời gian trễ và phát tín hiệu cắt nếu dòng điện vượt quá ngưỡng trong thời gian trễ.

V. Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Phân Tích Hoạt Động Rơle Bảo Vệ

Các kết quả mô phỏng từ Matlab Simulink cung cấp thông tin quan trọng về hoạt động của rơle bảo vệ trong các tình huống khác nhau. Phân tích các kết quả mô phỏng giúp đánh giá tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của rơle. Điều này rất quan trọng để đảm bảo hệ thống điện được bảo vệ hiệu quả.

5.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Rơle Quá Dòng

Các kết quả mô phỏng rơle quá dòng cho thấy dòng điện qua các bảo vệ khi hệ thống làm việc bình thường và khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Tín hiệu Trip từ bảo vệ cho biết thời điểm rơle tác động cắt mạch. Phân tích các tín hiệu này giúp đánh giá khả năng bảo vệ của rơle.

5.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Tần Số Đến Bảo Vệ So Lệch

Sự thay đổi tần số có thể ảnh hưởng đến hoạt động của bảo vệ so lệch, đặc biệt trong mạng lưới Micro Grid với các nguồn năng lượng tái tạo. Việc mô phỏng với tần số thay đổi giúp đánh giá ảnh hưởng này và điều chỉnh các cài đặt của rơle để đảm bảo hoạt động ổn định.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về Mô Phỏng Rơle

Luận văn đã đưa ra được một số kết quả cơ bản đánh giá được tính chọn lọc và thời gian tác động của Rơle bảo vệ quá dòng và Rơle bảo vệ so lệch dọc ứng dụng trên mạng lưới Micro Grid. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng còn một số thiếu sót nhất định như chưa thể lập trình mô phỏng hoàn chỉnh đối với một lưới điện Micro Grid với đầy đủ các chức năng bảo vệ đã đề ra.

6.1. Các Kết Luận Chính Từ Nghiên Cứu Mô Phỏng Rơle

Kết quả nghiên cứu đã đánh giá được khả năng làm việc của các thuật toán bảo vệ trong mạng lưới Micro Grid, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục. Các kết quả thu được là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.

6.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Cho Mô Phỏng Bảo Vệ Rơle

Phát triển mô phỏng các chức năng bảo vệ khác để ứng dụng trên mạng lưới Micro Grid. So sánh đặc tính làm việc, độ tin cậy, độ nhạy, tính chọn lọc giữa các bảo vệ. Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đến hoạt động của hệ thống bảo vệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp với sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời, đặc biệt trong các mạng lưới Micro Grid. Theo ước tính, sự cố ngắn mạch và quá tải trên hệ thống điện có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng về thiết bị và mất ổn định lưới điện. Do đó, việc phát triển các giải pháp bảo vệ chính xác, tin cậy là yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo vận hành an toàn và ổn định. Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch dọc bằng phần mềm Matlab Simulink, đồng thời ứng dụng mô phỏng này vào mạng lưới Micro Grid có tích hợp nhà máy điện gió. Mục tiêu chính là đánh giá tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của các rơle bảo vệ trong điều kiện có sự cố ngắn mạch, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng các dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải 110 kV và mạng Micro Grid trong khoảng thời gian mô phỏng 2 giây, với dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống điện tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo và mạng lưới điện thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong bảo vệ hệ thống điện:

1. Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ): Nguyên tắc tác động dựa trên việc phát hiện dòng điện vượt quá giá trị định trước. Bao gồm các loại bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ dòng điện cắt nhanh và bảo vệ dòng điện ba cấp. Các khái niệm chính gồm dòng khởi động, độ nhạy bảo vệ, thời gian tác động và đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc dòng điện.

2. Bảo vệ so lệch dọc (BVSL): Dựa trên định luật Kirchhoff, tổng vectơ dòng điện vào và ra khỏi vùng bảo vệ bằng không nếu không có sự cố bên trong. BVSL phân biệt chính xác sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ, có tính chọn lọc tuyệt đối. Các khái niệm quan trọng gồm sơ đồ vòng tuần hoàn, sơ đồ cân bằng áp, dòng không cân bằng, dòng khởi động và các biện pháp nâng cao độ nhạy như dùng máy biến dòng bão hòa trung gian và rơle có tác động hãm.

Các mô hình lý thuyết này được áp dụng để xây dựng thuật toán và mô phỏng rơle bảo vệ trên Matlab Simulink, từ đó phân tích hiệu quả bảo vệ trong mạng Micro Grid có tích hợp nguồn điện gió.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm Matlab Simulink. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hệ thống điện ba pha 110 kV với công suất ngắn mạch 500 MVA, đường dây truyền tải dài 400 km, hai phụ tải với công suất lần lượt 10 MW và 15 MW. Các sự cố ngắn mạch ba pha, một pha, hai pha được mô phỏng tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây và trong mạng Micro Grid. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp điển hình nhằm đánh giá tính chọn lọc và độ nhạy của rơle bảo vệ.

Phân tích dữ liệu dựa trên tín hiệu dòng điện thu được, sử dụng phân tích Fourier để xác định biên độ và pha dòng điện, so sánh với dòng khởi động để xác định tín hiệu trip. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 giây mô phỏng cho mỗi trường hợp sự cố, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu để đánh giá thời gian tác động và độ chính xác của bảo vệ. Kết quả được đối chiếu với các tiêu chuẩn bảo vệ và nghiên cứu trong ngành để đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ nhạy và tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng: Mô phỏng cho thấy rơle bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian phụ thuộc có thể đảm bảo tính chọn lọc tốt khi dòng khởi động được cài đặt ở mức 300 A cho pha chính và 90 A cho dòng không cân bằng, với thời gian tác động phù hợp. Dòng 3 pha qua bảo vệ trong điều kiện bình thường có biên độ ổn định, tín hiệu trip không thay đổi, chứng tỏ bảo vệ không tác động sai.

2. Hiệu quả bảo vệ so lệch dọc trong mạng Micro Grid: Rơle so lệch dọc thể hiện khả năng phân biệt chính xác sự cố trong vùng bảo vệ, với tín hiệu trip rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch pha A chạm đất hoặc ngắn mạch ba pha. Độ nhạy bảo vệ được nâng cao nhờ sử dụng rơle có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian, giảm thiểu ảnh hưởng của dòng không cân bằng.

3. Ảnh hưởng của tần số thay đổi: Mô phỏng cho thấy sự thay đổi tần số nguồn 220 kV ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch, tuy nhiên với thiết lập thông số phù hợp, bảo vệ vẫn duy trì độ tin cậy và thời gian tác động ổn định.

4. Thời gian tác động và độ chính xác: Thời gian tác động của bảo vệ quá dòng và so lệch dọc được điều chỉnh theo nguyên tắc bậc thang, đảm bảo bảo vệ gần sự cố cắt nhanh hơn bảo vệ xa sự cố. Ví dụ, bậc thời gian được chọn trong khoảng 0.5 giây đến 1 giây tùy loại rơle, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng khẳng định tính hiệu quả của việc ứng dụng Matlab Simulink trong mô phỏng và phân tích rơle bảo vệ, giúp đánh giá chính xác các thông số cài đặt và hiệu suất bảo vệ. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả tương đồng về đặc tính thời gian và độ nhạy, đồng thời bổ sung thêm phân tích ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo trong mạng Micro Grid. Việc sử dụng rơle có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian là giải pháp thực tiễn để nâng cao độ nhạy và giảm sai số do dòng không cân bằng, phù hợp với các hệ thống điện hiện đại có nhiều nguồn phân tán.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dòng điện 3 pha, tín hiệu trip theo thời gian, và bảng so sánh thời gian tác động giữa các loại rơle, giúp trực quan hóa hiệu quả bảo vệ và hỗ trợ điều chỉnh thông số phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa dòng khởi động và thời gian tác động: Đề nghị điều chỉnh dòng khởi động rơle quá dòng trong khoảng 300 A cho pha chính và 90 A cho dòng không cân bằng, kết hợp thời gian tác động bậc thang từ 0.5 đến 1 giây nhằm đảm bảo tính chọn lọc và giảm thiểu tác động sai. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành hệ thống điện, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

2. Ứng dụng rơle so lệch có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian: Khuyến nghị sử dụng các thiết bị này để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của bảo vệ so lệch dọc, đặc biệt trong mạng Micro Grid có nguồn năng lượng tái tạo. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế hệ thống và nhà cung cấp thiết bị, thời gian triển khai trong 1 năm.

3. Phát triển mô phỏng mở rộng các chức năng bảo vệ: Tiếp tục nghiên cứu và mô phỏng các chức năng bảo vệ khác như bảo vệ chạm đất, bảo vệ quá áp để hoàn thiện hệ thống bảo vệ toàn diện cho Micro Grid. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và trung tâm đào tạo, thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng và vận hành rơle bảo vệ cho kỹ sư vận hành và bảo trì nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành, thời gian thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ nguyên lý và cách thức vận hành của các loại rơle bảo vệ, từ đó nâng cao khả năng phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất điện.

2. Nhà thiết kế và tư vấn hệ thống điện: Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng để thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp với mạng lưới có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo tính ổn định và tin cậy.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và ứng dụng mô phỏng bảo vệ hệ thống điện, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tác động của các nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống bảo vệ, từ đó xây dựng các chính sách phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Bảo vệ quá dòng điện hoạt động như thế nào trong hệ thống điện?
   Bảo vệ quá dòng điện tác động khi dòng điện vượt quá giá trị định trước, sử dụng các rơle dòng điện cực đại hoặc cắt nhanh để phát hiện và ngắt sự cố, đảm bảo an toàn cho thiết bị và hệ thống.

2. Tại sao cần sử dụng bảo vệ so lệch dọc trong mạng Micro Grid?
   Bảo vệ so lệch dọc có tính chọn lọc tuyệt đối, phân biệt chính xác sự cố trong vùng bảo vệ, rất phù hợp với mạng Micro Grid có nhiều nguồn phân tán như điện gió, giúp giảm thiểu ảnh hưởng sự cố và nâng cao độ tin cậy.

3. Máy biến dòng bão hòa trung gian có vai trò gì trong bảo vệ so lệch?
   Máy biến dòng bão hòa trung gian giúp lọc thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch, giảm dòng không cân bằng thứ cấp, từ đó nâng cao độ nhạy và tính chính xác của bảo vệ so lệch.

4. Làm thế nào để điều chỉnh thời gian tác động của rơle bảo vệ?
   Thời gian tác động được điều chỉnh theo nguyên tắc bậc thang, sao cho bảo vệ gần sự cố cắt nhanh hơn bảo vệ xa sự cố, đảm bảo tính chọn lọc và tránh cắt nhầm.

5. Ảnh hưởng của tần số nguồn điện đến bảo vệ so lệch như thế nào?
   Sự thay đổi tần số có thể ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch, tuy nhiên với thiết lập thông số phù hợp, bảo vệ vẫn duy trì độ tin cậy và thời gian tác động ổn định trong phạm vi tần số vận hành bình thường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng rơle bảo vệ quá dòng và so lệch dọc trên Matlab Simulink, ứng dụng hiệu quả trong mạng Micro Grid có nguồn điện gió.
• Đã đánh giá được tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của các loại rơle bảo vệ qua các trường hợp sự cố ngắn mạch điển hình.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ như sử dụng rơle có tác động hãm, máy biến dòng bão hòa trung gian và điều chỉnh thông số bảo vệ phù hợp.
• Nghiên cứu mở hướng phát triển mô phỏng các chức năng bảo vệ khác và đào tạo nâng cao năng lực vận hành hệ thống điện hiện đại.
• Khuyến khích các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà quản lý ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong vận hành thực tế và mở rộng nghiên cứu mô phỏng các chức năng bảo vệ bổ sung nhằm hoàn thiện hệ thống bảo vệ cho mạng Micro Grid.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Bảo vệ quá dòng điện • Chương 3: Bảo vệ so lệch • Chương 4: Mô phỏng rơle bảo vệ trên Matlab Simulink • Chương 5: Kết luận 2 CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 2.1 Nguyên tắc tác động Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ) là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. Có thể chọn BVQDĐ thành bảo vệ dòng điện cực đại (BVDĐCĐ) hay bảo vệ dòng điện cắt nhanh (BVCN). Chúng khác nhau ở chỗ cách đảm bảo yêu cầu tác động chọn lọc và vùng bảo vệ tác động. Để bảo vệ dòng điện cực đại tác động chọn lọc, người ta tạo cho nó thời gian trì hoãn thích hợp.

Để đảm bảo chính xác chọn lọc cho bảo vệ cắt nhanh cần chọn dòng khởi động thích hợp. Vùng bảo vệ của BVDCĐ gồm cả phần tử được bảo vệ và các phần tử lân cận. Vùng bảo vệ của BVCN chỉ một phần của phần tử được bảo vệ.2 Bảo vệ dòng điện cực đại Với bảo vệ dòng điện cực đại làm việc có thời gian trì hoãn lại được chia thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hoãn. Khi thời gian trì hoãn được lựa chọn một cách độc lập không phụ thuộc vào các thông số khác trong quá trình hoạt động ta có loại “rơle đặc tính thời gian độc lập”.

Khi thời gian trì hoãn phụ thuộc dòng điện qua bảo vệ ta có loại “rơle đặc tính thời gian phụ thuộc”. Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính: • Bộ phận khởi động: nhiệm vụ phát hiện ra sự cố quá dòng điện vượt quá giá trị đặt. • Bộ phận tạo thời gian trì hoãn: tạo ra thời gian trì hoãn kể từ lúc phát hiện sự cố đến khi bảo vệ tác động, đảm bảo cho bảo vệ tác động một cách chọn lọc.1 Tính toán dòng khởi động Theo nguyên tắc tác động, dòng khởi động I kd của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ, tuy nhiên trong thực tế việc lựa chọn dòng khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Đối với các rơle 3 quá dòng điện, dòng điện khởi động I kd của bảo vệ thường được chọn theo điều kiện: kat × kmm I NM min > I kd = × I lvmax (2.1) ktv Trong đó: I NM min : dòng cực tiểu đi qua bảo vệ đảm bảo cho rơle còn khởi động được.

Khi xác định trị số của I NM min cần lưu ý đến chế độ làm việc của hệ thống, cấu hình của lưới điện, vị trí điểm ngắn mạch, dạng ngắn mạch. I lv max : dòng điện làm việc lớn nhất cho phép đối với phần tử được bảo vệ. kat : hệ số an toàn, thường lấy khoảng 1. kmm : hệ số mở máy (khởi động) của phụ tải động cơ có dòng điện chạy qua chỗ đặt bảo vệ.

Hệ số mở máy phụ thuộc vào loại động cơ, vị trí tương đối giữa chỗ đặt bảo vệ và động cơ, sơ đồ mạng điện và một số yếu tố khác. Thông thường, hệ số kmm có thể lấy trong khoảng 2 ÷ 5. ktv : hệ số trở về đặc trưng cho quan hệ giữa dòng điện khởi động I kd và dòng điện trở về I tv của rơ le. Với các rơle điện cơ ktv = 0.95 ; với rơle tĩnh và rơle số ktv ≈ 1.1 Đồ thị đặc trưng trạng thái của bảo vệ khi sự cố 4 2.2 Độ nhạy của bảo vệ Vùng tác động của bảo vệ bao gồm phần tử được bảo vệ và các phần tử lân cận.

Phần tử lân cận được bảo vệ thuộc vùng bảo vệ dự trữ. Độ nhạy được đánh giá bằng hệ số nhạy: I N min knh = (2.2) I kd • Khi ngắn mạch ở cuối phần tử được bảo vệ (vùng chính) yêu cầu knh > 1.5 • Khi ngắn mạch ở vùng dự trữ yêu cầu knh >1.3 Thời gian tác động của bảo vệ a) Bậc thời gian Để đảm bảo tính chọn lọc, thời gian tác động của bảo vệ dòng điện cực đại được chọn theo nguyên tắc bậc thang. Độ chênh lệch giữa thời gian tác động của bảo vệ kề nhau được gọi là bậc thời gian hay bậc chọn lọc: ∆t = tn − tn+1 (2.3) Giá trị của bậc thời gian được chọn sao cho đảm bảo tính chọn lọc, các bảo vệ gần sự cố sẽ cắt trước khi các bảo vệ xa hơn và gần nguồn kịp tác động. Ví dụ: Xét sơ đồ đường dây hình tia một nguồn cung cấp như hình bên dưới: Hình 2.2 BVDĐCĐ cho đường dây hình tia một nguồn cung cấp 5 Giá trị của bậc thời gian ∆t được chọn sao cho giả sử khi ngắn mạch tại N3, bảo vệ 1 không kịp tác động mặc dù đã khởi động.

Khi ngắn mạch trên đoạn đường dây BC, bảo vệ 1 làm việc trong khoảng thời gian ngắn mạch chạy qua: T1 = tBV + t ss + t MC2 (2.4) Trong đó: t BV : thời gian tác động của bảo vệ. tss : sai số giữa các rơle thời gian. t MC 2 : thời gian cắt của máy cắt 2. Như vậy, bảo vệ 1 không kịp tác động khi ngắn mạch trong đoạn BC thì thời gian tác động của nó phải: t1 > t 2 + t BV + t MC2 (2.5) ∆t = tBV + t ss + t MC2 (2.6) Khi chọn ∆t phải phân biệt loại rơle có đặc tính thời gian độc lập và rơle có đặc tính thời gian phụ thuộc.

b) Rơle dòng điện có đặc tính thời gian độc lập: Thời gian trì hoãn tác động của bảo vệ được tạo nên nhờ rơle thời gian hoặc các bộ định thời và không phụ thuộc vào dòng ngắn mạch, vì vậy bảo vệ này được gọi là có đặc tính thời gian độc lập. Đặc tuyến này của rơle dòng có dạng đường thẳng (đường số 1 – hình 2. Đối với rơle có đặc tính thời gian độc lập, bậc chọn lọc ∆t thường được chọn từ (0. Thời gian tác động của bảo vệ với đặc tuyến độc lập được chọn theo nguyên tắc bậc thang: n = n+1 + ∆ (2.3 Đặc tuyến làm việc dòng điện thời gian của rơle dòng điện c) Rơle dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc: Rơle làm việc với thời gian xác định nào đó khi dòng điện vượt quá giá trị khởi động, đặc tính này gọi là phụ thuộc, đường cong 2 và 3 biểu diễn trên hình 2.

Rơle có đặc tính phụ thuộc khởi động khi dòng vượt quá giá trị khởi động; thời gian tác động của rơle phụ thuộc vào trị số dòng điện qua rơle. Thời gian làm việc giảm khi dòng điện tăng cao. Đặc tính – thời gian phụ thuộc có giới hạn nhỏ nhất (độ dốc chuẩn): Loại này làm việc theo đặc tính dòng điện – thời gian phụ thuộc ở các giá trị của dòng điện ngắn mạch nhỏ và đặc tính phụ thuộc có giới hạn khi dòng điện ngắn mạch lớn. Nói cách khác, khi dòng điện ngắn mạch nhỏ hơn 10 lần dòng định mức thì rơle làm việc theo đặc tính phụ thuộc.

Khi tỉ số dòng ngắn mạch trên dòng định mức từ 10 đến 20 lần thì đặc tính là đường thẳng, nghĩa là đặc tính thời gian giới hạn. Đường cong 1 (hình 2.4) đặc trưng cho dạng đặc tính độ dốc chuẩn. Loại đặc tính này thường được dùng rộng rãi để bảo vệ mạng phân phối. Đặc tính thời gian rất dốc (đường cong 2 - hình 2.4): Loại này cho độ dốc phụ thuộc nhiều hơn loại độ dốc chuẩn.

Đặc tính phụ thuộc của nó nằm giữa đặc tính độ dốc chuẩn (đường cong 1 – hình 2.4) và loại cực dốc như đường cong 3 – hình 2. Đặc tính phụ thuộc nhiều có đặc tính chọn lọc tốt hơn loại 7 dốc chuẩn. Vì thế, đặc tính này được dùng khi đặc tính dốc chuẩn không đảm bảo tính chọn lọc. Đặc tính thời gian cực dốc (đường cong 3 – hình 2.4): Loại này cho đặc tính dốc nhiều hơn loại rất dốc và loại dốc chuẩn.

Đặc tính này thích hợp để bảo vệ máy phát, máy biến áp động lực, máy biến áp nối đất, cáp… để chống quá nhiệt.4 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc Đối với rơle có đặc tính thời gian phụ thuộc thường chọn bậc thời gian ∆t = (0.5) s ; nếu dùng rơle cảm ứng cần phải thêm thời gian quán tính 8 của bảo vệ mà rơ le tiếp tục làm việc khi dòng ngắn mạch đã được cắt ra nên người ta thường chọn ∆t = (0.6 ÷ 1) s Ưu điểm của bảo vệ có đặc tuyến thời gian phụ thuộc là: • Có thể phối hợp thời gian làm việc của bảo vệ các đoạn gần nhau để làm giảm thời gian cắt ngắn mạch của các bào vệ đặt gần nguồn. • Có thể làm giảm hệ số mở máy kmm khi chọn dòng điện khởi động của bảo vệ. Khuyết điểm của loại bảo vệ này là: • Thời gian cắt ngắn mạch tăng khi dòng điện ngắn mạch có giá trị gần bằng dòng điện khởi động. • Đôi khi sự phối hợp các đặc tính thời gian tương đối phức tạp.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh Bảo vệ dòng điện cắt nhanh (BVCN) là loại bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc bằng cách chọn dòng khởi động lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất qua chỗ đặt bảo vệ khi ngắn mạch ở ngoài phần tử được bảo vệ (cuối vùng bảo vệ của phần tử được bảo vệ).

Khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ, dòng điện ngắn mạch sẽ lớn hơn dòng điện khởi động, và bảo vệ sẽ tác động. Bảo vệ dòng cắt nhanh thường làm việc tức thời hoặc với thời gian rất bé để nâng cao độ nhạy, mở rộng vùng bảo vệ và đề phòng khả năng bảo vệ mất chọn lọc khi có giông sét.1 Bảo vệ cắt nhanh của đường dây có một nguồn cung cấp Hình 2.5 Sơ đồ minh họa BVCN của đường dây có một nguồn cung cấp a) Dòng khởi động của bảo vệ Muốn bảo vệ không tác động khi ngắn mạch ngoài đường dây bảo vệ AB, dòng khởi động được chọn như sau: I kd = k at × I NB max (2.8) Trong đó: I NB max : dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại cuối vùng bảo vệ (xét tại thanh cái trạm B).3 : hệ số an toàn tính đến sai số trong khi tính toán dòng ngắn mạch và sai số role. Để có I NBmax cần phải chọn chế độ vận hành của hệ thống cũng như dạng ngắn mạch thích hợp ( N 3 ). Vì thời gian tác động của bản thân bảo vệ này khoảng vài phần trăm của giây nên dòng ngắn mạch được tính ứng với thời điểm đầu của ngắn mạch .