Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hướng nghiên cứu Đường dây truyền tải điện là một trong những khâu rất quan trọng trong việc đảm bảo sự liên lạc giữa các nguồn điện và các hộ tiêu thụ điện. Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh về số lượng các đường dây truyền tải ở các cấp điện áp cũng như tổng chiều dài của toàn hệ thống. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN - Vietnam Electricity), lưới điện Việt Nam đã không ngừng mở rộng, vươn xa thể hiện quy mô phát triển, sự lớn mạnh của ngành kinh tế mũi nhọn, đảm bảo cung cấp điện ngày càng tin cậy, hiệu quả hơn cho phát triển đất nước.
Số liệu thống kê đến cuối năm 2015: Tổng chiều dài đường dây ở các cấp điện áp 500 - 220 - 110 kV của EVN quản lý vận hành gồm trên 41. Trong quá trình vận hành, đường dây truyền tải điện có thể gặp những sự cố như sét đánh, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, sự cố từ các thiết bị, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị. Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên đường dây, rơle bảo vệ sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Như vậy quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác vị trí sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ.
Để thực hiện nhiệm vụ xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới truyền tải, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đã có nhiều thiết bị được chế tạo dựa trên các nghiên cứu này để xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải. Thống kê các nghiên cứu đã được thực hiện từ trước đến nay trong lĩnh vực phát hiện vị trí ngắn mạch được phân thành ba phương pháp chính đó là phương pháp bơm xung phản xạ vào đoạn dây dẫn bị sự cố ngắn mạch theo các nghiên cứu trong [1] và [2], phương 1 pháp dùng phân tích sóng dòng điện và điện áp tần số cao theo các nghiên cứu trong [3], [4], [5], [6] [7] [8] [9][10][11][12] và phương pháp tính toán vị trí ngắn mạch dựa trên tổng trở theo nghiên cứu trong [13][14][15][16][17][18][19][20]. Các nghiên cứu trong phương pháp xung phản xạ trong [1] và [2] chỉ được thực hiện bằng các máy phát xung chuyên dụng có tần số cao và chỉ xác định được vị trí ngắn mạch sau khi đã cô lập lưới điện. Điều này làm tăng thời gian mất điện, giảm chất lượng điện năng và phải đầu tư khá lớn cho máy tạo xung công suất lớn, tần số cao và yêu cầu thiết bị đo lường chất lượng tốt với tần số đo lớn rất mắc tiền.
Phương pháp xung phản xạ chỉ thích hợp trong định vị chính xác điểm sự cố trong sửa chữa đoạn cáp bị sự cố và không thích hợp khi muốn định vị nhanh điểm ngắn mạch. Các nghiên cứu theo phương pháp sóng truyền trong [3][4][5] với nguyên lý làm việc cơ bản là kiểm soát sự di chuyển các thành phần hài bậc cao trong đường dây khi xuất hiện quá trình quá độ trên hệ thống điện. Để làm được điều này các cảm biến đo lường phải có khả năng ghi nhận được các thành phần hài bậc cao của thành phần sóng cơ bản. Điều này làm gia tăng chi phí cho các thiết bị đo và hầu như không thể lắp đặt trên toàn hệ thống truyền tải điện bởi rào cản kinh tế.
Phương pháp tổng trở được phát triển trong các năm gần đây là đạt nhiều thành tựu đáng kể. Trong các nghiên cứu [13][14][15], vị trí sự cố ngắn mạch được xác định nhanh dựa trên việc đo đạc các giá trị dòng điện và điện áp trên các đầu đường dây. Việc đo tại nhiều điểm là phát sinh bài toán giải quyết vấn đề không đồng bộ về mặt thời gian của các bộ đo khác nhau tại các đầu nút phụ tải khác nhau. Đây là nhân tố quan trọng là giảm độ chính xác của phương pháp tổng trở.
Có nhiều phương pháp cải thiện đồng bộ trong đo lường bằng các biện pháp sử dụng đồng bộ bằng vệ tinh trong [21] và dùng cáp quang trong [22]. Các giải pháp đã làm tăng độ chính xác nhưng yêu cầu phải đầu tư thiết bị máy móc đắt tiền. Luận văn đề xuất phương pháp xác định góc bất đồng bộ trong đo lường dựa trên thông số đường dây và giá trị dòng điện và điện áp đo được trên hai đầu đường dây. Phương pháp được đề xuất có thể xác định chính xác góc lệch này và do đó có 2 thể xác định chính xác vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây.
Để chứng minh cho tính hiệu quả của giải thuật định vị sự cố ngắn mạch này, một mô hình Simulink được xây dựng dưới dạng một đường dây truyền tải nối giữa hai nút nguồn. Chương trình xác định vị trí sự cố ngắn mạch đường dây truyền tải được viết dưới dạng chương trình lập trình trong Matlab. Tổng quan về các nghiên cứu khoa học liên quan Các phương pháp định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện đã được quan tâm và nghiên cứu trong nhiều năm do yêu cầu rất cao trong thực tế về việc ước lượng chính xác được vị trí của điểm sự cố. Tuy nhiên tất cả các phương pháp đều có những tồn tại nhất định, và đây cũng sẽ là khả năng để có thể tìm được một giải pháp tốt hơn cho bài toán định vị sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện.
Các phương pháp được giới thiệu như bên dưới. Phương pháp xung phản xạ Tại nơi giao nhau của hai môi trường truyền khác nhau, sóng truyền đến sẽ sinh ra một sóng phản xạ và truyền ngược trở lại môi trường ban đầu. Nguyên lý này đã được ứng dụng trong phương pháp Time Domain Reflection với môi trường tới truyền là đầu một dây dẫn và môi trường tới là nơi gián đoạn của đường dây khi ngắn mạch, nơi giao nhau của hai môi trường chính là điểm xuất hiện sự cố ngắn mạch.1 Phương thức bơm xung vào cáp ngầm Để xác định vị trí sự cố, một xung áp được phát vào trong dây truyền dẫn, khi gặp vị trí sự cố thì sẽ xuất hiện xung phản xạ hồi về. Dựa vào độ lớn và góc pha hồi 3 về ta có thể xác định được vị trí sự cố trên lưới.
Phương pháp này gần giống nguyên lí hoạt động của rada chủ động.2 Dạng sóng xung tới và xung phản xạ Phương pháp xung phản xạ xác định vị trí ngắn mạch lưới điện truyền tải được trình bày cụ thể trong [1] và [2]. Xung phản xạ bao gồm hai dạng chủ yếu đó là xung điện áp và xung dòng điện. Đặc điểm của các xung này là có tần số cao, biên độ lớn nên để thu được các xung phản xạ từ điểm sự cố ngắn mạch trở về thì thiết bị đo phải có chất lượng tốt với thời gian lấy mẫu phải đủ nhỏ (vài kHz) và biên độ đo lường lớn (vài kV). Giá thành thiết bị đo lường thường rất cao để có thể đạt được các yêu cầu kỹ thuật cao của phương pháp bơm xung dòng điện và điện áp để xác định vị trí ngắn mạch.
Ngoài ra, thiết bị xác định vị trí ngắn mạch bằng phương pháp xung phản xạ yêu cầu lưới điện phải cách ly khỏi hệ thống khi hoạt động. Đây là một điểm yếu cố hữu của các thiết bị loại này khi thời gian dùng để xác định vị trí sự cố ngắn mạch bị kéo dài do phải mất một khoảng thời gian để đưa thiết bị đến nơi có sự cố ngắn mạch để đo đạt. Thêm vào đó, xung phản khi đi qua các mối nối trên đường dây cũng sẽ tạo nên các xung nhiễu cao tần, càng nhiều mối nối thì số lượng và độ phức tạp của xung nhiễu càng cao. Đây là một nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả của của phương pháp xung phản xạ trên đường dây phân phối với nhiều phụ tải trên đường dây.
4 Như vậy, giải thuật dùng xung phản xạ để định vị ngắn mạch thường được ứng dụng chủ yếu trên đường dây truyền tải với chiều dài dây lớn và ít hoặc không có phụ tải trên đường dây. Đối với lưới điện phân phối, phương pháp xung phản xạ ít được ứng dụng do các nhược điểm đã phân tích như trên. Phương pháp này thường được dùng để xác định vị trị trí sự cố cáp ngầm. Phương pháp phân tích sóng truyền Phương pháp xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên lưới điện sử dụng phân tích sóng truyền được nghiên cứu trong các năm gần đây qua các nghiên cứu được công bố trong [3][4][5][6][7][8][9][10][11][12].
Khi xuất hiện sự cố ngắn mạch tại một điểm nào đó trên hệ thống, dưới tác động của sự thay đổi đột ngột tổng trở hệ thống khi xuất hiện ngắn mạch đã làm xuất hiện các nhiễu hài cao tần lan truyền trên toàn bộ lưới điện. Với các thiết bị chuyên dụng để đo các xung nhiễu cao tần này sau khi qua quá trình phân tích Fourier cho các sóng thu được đã xác định được tần số và biên độ các sóng nhiễu hài cao tần hay các sóng hồi tiếp về đầu đường dây từ điểm sự cố ngắn mạch. Mỗi vị trí ngắn mạch khác nhau thì tần số và biên độ sóng phản hồi về đầu nguồn là khác nhau, dựa trên sự khác nhau này các thiết bị sẽ nhận dạng được loại sự cố cũng như vị trí sự cố ngắn mạch.3 Sự lan truyền sóng cao tần khi có ngắn mạch 5 Hình 1.4 Tín hiệu điện áp tại các bus trong miền thời gian Hình 1.5 Phổ tín hiệu điện áp qua biến đổi wavelet liên tục Đây là một phương pháp được chú ý phát triển cùng với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của các kỹ thuật đo lường chính xác cao trong lĩnh vực điện tử. Phương pháp này có độ chính xác rất cao với sự trợ giúp hữu hiệu của các thiết bị đo tiên tiến, cùng với nó là các phép biến đổi toán học như biến đổi Clark, biến đổi Fourier.