Luận văn ứng dụng Hardware-in-the-Loop phối hợp bảo vệ Recloser và FCO trên lưới điện tại HCMUTE

Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HIL nhằm phối hợp bảo vệ tối ưu giữa máy cắt Recloser và cầu chì FCO trên lưới điện phân phối.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Tồn
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng Hardware-in-the-Loop trong phối hợp bảo vệ giữa Recloser và FCO trên lưới điện phân phối
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu Hardware in the Loop với Recloser và FCO

Lưới điện phân phối hiện đại đòi hỏi tính ổn định và liên tục cao. Hệ thống bảo vệ đóng vai trò cốt lõi trong việc cô lập sự cố kịp thời. Trong thực tế, máy cắt tự đóng lại Recloser và cầu chì tự rơi FCO là hai thiết bị bảo vệ phổ biến nhất trên lưới điện trung thế. Recloser xử lý các sự cố thoáng qua bằng chu trình đóng lặp lại linh hoạt. FCO bảo vệ các nhánh rẽ và máy biến áp phân phối trước các sự cố vĩnh cửu. Phối hợp bảo vệ không chính xác giữa hai thiết bị này sẽ gây gián đoạn cấp điện trên diện rộng. Phương pháp thử nghiệm truyền thống thường gặp hạn chế về chi phí và nguy cơ gây mất an toàn lưới điện. Công nghệ mô phỏng Hardware-in-the-Loop mở ra hướng tiếp cận hoàn toàn mới. Kỹ thuật này tích hợp rơ-le bảo vệ thực tế vào môi trường mô phỏng thời gian thực. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh HCMUTE đã triển khai nghiên cứu ứng dụng này nhằm tối ưu hóa cài đặt bảo vệ. Đề tài cung cấp giải pháp kiểm chứng tin cậy trước khi vận hành lưới điện thực tế.

1.1. Khái niệm công nghệ mô phỏng Hardware in the Loop

Mô phỏng Hardware-in-the-Loop (HIL) là kỹ thuật kiểm thử tiên tiến trong ngành kỹ thuật điện. Hệ thống kết nối phần cứng vật lý trực tiếp với mô hình toán học chạy theo thời gian thực. Máy tính chuyên dụng giải các phương trình trạng thái lưới điện với bước thời gian siêu nhỏ. Tín hiệu dòng điện và điện áp mô phỏng được khuếch đại để đưa vào các rơ-le bảo vệ. Thiết bị vật lý phản hồi tín hiệu cắt máy cắt trở lại mô hình mô phỏng. Quá trình trao đổi thông tin diễn ra liên tục theo chu kỳ khép kín. HIL giúp đánh giá chính xác hành vi của thiết bị bảo vệ dưới mọi điều kiện sự cố giả định mà không gây rủi ro cho lưới điện thực.

1.2. Vai trò của Recloser và FCO trên lưới điện phân phối

Recloser và FCO là hai lớp bảo vệ cơ bản trên mạng lưới phân phối trung áp. Recloser được đặt tại đầu xuất tuyến hoặc các điểm phân đoạn quan trọng. Thiết bị có khả năng tự động đóng lại nhiều lần để giải trừ sự cố thoáng qua. Ngược lại, cầu chì tự rơi FCO được bố trí tại các nhánh phụ hoặc đầu cực trạm biến áp phân phối. FCO sử dụng dây chảy để cô lập vĩnh viễn vùng sự cố nhánh. Việc phối hợp giữa Recloser và FCO quyết định mức độ chọn lọc của hệ thống bảo vệ. Nếu thiết lập thời gian sai lệch, Recloser có thể cắt trước khi FCO đứt chì. Sai số này làm mất điện toàn bộ tuyến dây chính một cách không đáng có.

II. Phân tích thách thức phối hợp bảo vệ Recloser và FCO tại HCMUTE

Phối hợp bảo vệ dòng điện giữa Recloser và FCO luôn đối mặt với nhiều rủi ro kỹ thuật phức tạp. Nguyên tắc phối hợp kinh điển yêu cầu đường cong tác động nhanh của Recloser phải cắt trước khi dây chì FCO tan chảy. Khi sự cố chuyển sang dạng vĩnh cửu, FCO bắt buộc phải cô lập hoàn toàn trước lần đóng lặp lại tiếp theo của Recloser. Tuy nhiên, đặc tính tan chảy nhiệt của dây chì chịu ảnh hưởng lớn từ dòng sự cố tích lũy và nhiệt độ môi trường. Sai số cơ khí và dung sai sản xuất khiến đường cong thời gian - dòng điện thực tế của FCO trôi dạt khỏi lý thuyết. Ngoài ra, việc thiết lập hàm quá dòng pha 50/51 và quá dòng chạm đất 50N/51N của rơ-le Recloser đòi hỏi độ nhạy cao nhưng không được tác động nhầm. Các kỹ sư tại phòng thí nghiệm HCMUTE nhận thấy việc tính toán lý thuyết đơn thuần không thể bao quát hiện tượng suy giảm đặc tính nhiệt của dây chì. Các phần mềm mô phỏng ngoại tuyến cũng thiếu vắng các tương tác phi tuyến của phần cứng rơ-le thực. Hậu quả trực tiếp là hiện tượng mất tính chọn lọc, dẫn đến cắt điện không mong muốn trên các phụ tải lành mạnh lân cận.

2.1. Vấn đề trôi dạt đặc tuyến thời gian dòng điện

Đặc tính bảo vệ của FCO phụ thuộc vào hai ngưỡng: thời gian chảy tối thiểu và thời gian dập hồ quang tối đa. Khi dòng ngắn mạch đi qua, dây chì tích lũy nhiệt lượng tỷ lệ với bình phương dòng điện. Trong chu trình đóng lặp lại của Recloser, dây chì không kịp nguội đi hoàn toàn giữa các chu kỳ ngắt. Nhiệt dư thừa khiến dây chảy đứt nhanh hơn mức tính toán lý thuyết trong biểu đồ TCC tiêu chuẩn. Hiện tượng này làm đảo lộn thứ tự phối hợp mong muốn giữa chu kỳ cắt chậm của Recloser và FCO. Kết quả là FCO có thể bị đứt ngoài ý muốn trong sự cố thoáng qua, biến một sự cố tạm thời thành sự cố gián đoạn nguồn điện kéo dài.

2.2. Giới hạn của phương pháp thử nghiệm truyền thống

Các phương pháp thử nghiệm truyền thống chủ yếu dựa trên tính toán bảng tính hoặc mô phỏng phần mềm tĩnh. Cách làm này bỏ qua trễ truyền thông, thời gian trễ cơ khí của máy cắt và sai số bão hòa biến dòng. Việc thử nghiệm ngắn mạch trực tiếp trên lưới điện phân phối đang vận hành là bất khả thi vì nguy cơ cháy nổ và làm gián đoạn cấp điện khách hàng. Bên cạnh đó, việc sử dụng các hợp bộ thử nghiệm rơ-le thông thường chỉ bơm tín hiệu tĩnh mở vòng. Thiết bị thử nghiệm không tiếp nhận phản hồi đóng cắt tức thời từ rơ-le để thay đổi thông số mạng điện tương ứng. Sự thiếu hụt vòng phản hồi khép kín làm giảm độ tin cậy của các thông số cài đặt trước khi đưa vào ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp Hardware in the Loop kiểm chứng Recloser và FCO

Nghiên cứu tại HCMUTE thiết lập cấu hình Hardware-in-the-Loop hoàn chỉnh để giải quyết triệt để bài toán phối hợp bảo vệ. Mô hình lưới điện phân phối được số hóa chi tiết và mô phỏng trên nền tảng máy tính thời gian thực. Tín hiệu điện áp và dòng điện sự cố tính toán được truyền đến bộ khuếch đại công suất PONOVO PA30Bip. Bộ khuếch đại PA30Bip sở hữu ba kênh dòng điện lên đến 30A RMS và bốn kênh điện áp 120V RMS với độ trễ đáp ứng cực nhỏ chỉ 20 microgiây. Tín hiệu tương tự công suất này sau đó được cấp trực tiếp vào cuộn dòng và áp của rơ-le điều khiển Recloser vật lý. Khi rơ-le phát hiện sự cố, lệnh trip được xuất qua tiếp điểm khô và phản hồi tức thời về máy tính mô phỏng để mở máy cắt ảo. Cài đặt bảo vệ cho Recloser sử dụng đặc tuyến thời gian phụ thuộc loại rất dốc Very Inverse theo tiêu chuẩn IEC 60255. Hệ số đặt thời gian TMS, dòng khởi động pha 50/51 và dòng thứ tự không 50N/51N được tính toán tỉ mỉ nhằm bảo đảm khoảng thời gian phối hợp chọn lọc chuẩn xác với từng cỡ dây chảy FCO.

3.1. Thiết lập phần cứng PONOVO PA30Bip và rơ le

Khối phần cứng trung gian đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu giữa thế giới ảo và rơ-le thực tế. Thiết bị khuếch đại tín hiệu PONOVO PA30Bip nhận lệnh điện áp mức thấp từ bo mạch xuất tín hiệu số của hệ thống mô phỏng. PA30Bip chuyển đổi thành dòng điện thứ cấp chuẩn công nghiệp từ 1A đến 5A với dải tần số rộng đến 5kHz. Tín hiệu này đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kiểm định IEC 60255 và IEEE C37. Rơ-le số thực tế tiếp nhận dòng sự cố, thực hiện đo lường số và chạy thuật toán so sánh ngưỡng tác động. Khi sự cố vượt ngưỡng, đầu ra relay output gửi tín hiệu ngắt phản hồi về giao diện I/O của bộ mô phỏng chỉ trong vài mili-giây.

3.2. Cấu hình thông số bảo vệ quá dòng IEC 60255

Quy trình cấu hình rơ-le tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60255 với đặc tuyến Very Inverse có độ dốc cao nhằm phối hợp hoàn hảo với đường cong chảy FCO. Chức năng quá dòng có thời gian 51 và quá dòng cắt nhanh 50 được tính toán theo dòng ngắn mạch lớn nhất tại cuối phân đoạn bảo vệ. Dòng khởi động thứ cấp được hiệu chỉnh qua tỷ số máy biến dòng và hệ số an toàn Kat. Đối với chức năng quá dòng chạm đất 51N, dòng khởi động được xác định dựa trên dòng không cân bằng lớn nhất để tránh hiện tượng kích hoạt sai khi tải dao động. Hệ số đặt thời gian TMS được tối ưu hóa chính xác tới 0,01. Nhờ đó, Recloser đảm bảo chu trình cắt nhanh bảo vệ dây chảy và chu trình cắt chậm dự phòng tin cậy.

IV. Ứng dụng thực tiễn hệ thống bảo vệ Recloser và FCO tại HCMUTE

Kết quả thử nghiệm Hardware-in-the-Loop tại HCMUTE khẳng định tính ưu việt vượt trội trong việc kiểm chứng phối hợp bảo vệ lưới phân phối. Nền tảng thực nghiệm chứng minh rằng các thông số chỉnh định lý thuyết đạt độ chính xác cao khi đối chiếu với phản ứng rơ-le thực. Các kịch bản ngắn mạch ba pha, hai pha và chạm đất được tái hiện toàn diện mà không gây ảnh hưởng đến vận hành vật lý. Nghiên cứu xác lập biểu đồ phối hợp TCC chuẩn mực, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ Recloser tác động trước FCO khi có sự cố nhánh vĩnh cửu. Hệ thống HIL tại trường mở ra môi trường đào tạo và chuyển giao công nghệ chất lượng cao cho ngành điện lực. Các kỹ sư có thể thử nghiệm, kiểm tra và hiệu chỉnh rơ-le thương mại từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trước khi lắp đặt thực tế. Giải pháp giúp rút ngắn thời gian đóng điện, giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao các chỉ số SAIFI, SAIDI cho hệ thống điện. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy quá trình hiện đại hóa lưới điện thông minh tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá độ tin cậy và tối ưu vận hành lưới điện

Thử nghiệm thực tế với HIL chứng minh độ chính xác cao của cấu hình phối hợp bảo vệ mới. Thời gian giải trừ sự cố được rút ngắn đáng kể, bảo vệ tối đa độ bền nhiệt của đường dây và máy biến áp. Số lần mất điện thoáng qua và mất điện kéo dài của phụ tải giảm thiểu rõ rệt. Việc giảm thiểu số lần nhảy máy cắt Recloser không cần thiết kéo dài tuổi thọ của thiết bị đóng cắt cơ khí. Hệ thống phân phối điện vận hành ổn định và an toàn hơn ngay cả khi phụ tải tăng trưởng cao. Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng giúp các công ty điện lực chuẩn hóa quy trình cài đặt rơ-le trên toàn lưới.

4.2. Khả năng mở rộng cho đào tạo và nghiên cứu HCMUTE

Mô hình thử nghiệm HIL tại HCMUTE không chỉ giải quyết bài toán kỹ thuật hiện hữu mà còn định hình chuẩn mực đào tạo mới. Sinh viên và học viên cao học có cơ hội tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị đóng cắt hiện đại kết hợp mô phỏng số tiên tiến. Nền tảng hỗ trợ nghiên cứu mở rộng sang các bài toán phức tạp hơn như lưới điện microgrid và nguồn phân tán hòa lưới. Các kịch bản sự cố đa dạng được lập trình tự động giúp người học nâng cao năng lực phân tích sự cố thực tế. Việc kết nối chặt chẽ giữa nghiên cứu học thuật và thiết bị công nghiệp khẳng định vị thế tiên phong của HCMUTE trong đào tạo kỹ thuật điện chất lượng cao.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước yêu cầu gia tăng về nhu cầu phụ tải điện, hệ thống lưới điện phân phối đòi hỏi phải liên tục mở rộng và hiện đại hóa nhằm duy trì tính ổn định và độ tin cậy cung cấp điện. Trong công tác quản lý và vận hành hệ thống điện, việc trang bị hệ thống rơle bảo vệ có vai trò quyết định trong việc phát hiện nhanh chóng sự cố, cô lập chính xác phân đoạn hư hỏng, hạn chế tối đa thiệt hại kinh tế và rút ngắn thời gian khôi phục hệ thống.

Trên lưới phân phối trung áp 22kV, thiết bị tự động đóng lặp lại (Recloser) và cầu chì tự rơi (Fuse Cut-Out - FCO) là hai thiết bị bảo vệ quá dòng được ứng dụng phổ biến. Theo cấu hình phối hợp tiêu chuẩn, FCO được bố trí tại các nhánh rẽ hoặc đầu vào các trạm biến áp phân phối để cắt nhanh các sự cố nội bộ nhánh, trong khi Recloser đóng vai trò bảo vệ chính tại các điểm nút trục chính. Khi xuất hiện ngắn mạch, FCO được kỳ vọng tác động trước để cô lập sự cố cục bộ; trường hợp FCO không tác động kịp hoặc dòng sự cố vượt quá khả năng cắt của FCO, rơle của Recloser sẽ tác động gửi lệnh ngắt máy cắt (CB) để bảo vệ đường dây. Tuy nhiên, sự phối hợp giữa hai thiết bị này chịu tác động lớn bởi các yếu tố thực tế như sai số máy biến dòng (CT), hiện tượng bão hòa từ của lõi thép CT và các dạng sự cố thoáng qua hoặc kéo dài trên lưới điện.

Khóa luận tốt nghiệp "Research and Application of Hardware-in-Loop for Protection Coordination between Recloser and FCO on the Distribution Network" do sinh viên Nguyễn Quốc Tồn và Nguyễn Thanh Quý thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trương Việt Anh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE), khóa 2021 – 2025 (nghiệm thu tháng 07/2025), giải quyết bài toán kiểm chứng thực nghiệm sự phối hợp bảo vệ này bằng công nghệ mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (Hardware-In-the-Loop - HIL).

Văn bản xác định rõ các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Nghiên cứu phương pháp phối hợp và chỉnh định chính xác các thông số bảo vệ quá dòng cho rơle số IM30-AP phối hợp với FCO.
2. Đánh giá hiệu năng vận hành của rơle vật lý trong các kịch bản cắt sự cố, phát hiện các sai lệch và đưa ra giải pháp điều chỉnh tối ưu.
3. Ứng dụng hệ thống mô phỏng thời gian thực OPAL-RT 5700 và phần mềm Hypersim để mô phỏng lưới điện phân phối 22kV, kiểm tra tính tương thích và độ chính xác của nền tảng HIL khi kết nối với thiết bị rơle thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lý phối hợp bảo vệ quá dòng giữa Recloser và FCO; rơle số bảo vệ quá dòng IM30-AP; hệ thống mô phỏng thời gian thực OPAL-RT 5700, phần mềm Hypersim, bộ khuếch đại công suất PONOVO PA30Bip, mạch vi điều khiển Arduino và mạch chốt giữ tín hiệu (Latching circuit).
• Phạm vi không gian: Mô hình lưới phân phối điện áp 22kV được mô phỏng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Điện - Điện tử.
• Phạm vi thời gian: Số liệu và thực nghiệm được tiến hành trong giai đoạn 2024 – 2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế và nguyên lý bảo vệ rơle hệ thống điện:

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

• Thiết bị tự động đóng lặp lại (Recloser): Thiết bị đóng cắt tự động mạch xoay chiều theo chu trình đặt trước, bao gồm ba chức năng vận hành cơ bản: chức năng phục hồi trạng thái ban đầu sau khi đóng lại thành công (Recovery Function), chức năng duy trì trạng thái đóng trước dòng xung kích mở máy động cơ hoặc dòng từ hóa (Maintain Closed State Function), và chức năng cắt khóa vĩnh viễn sau số lần đóng lặp lại không thành công được cài đặt từ 1 đến 4 lần (Permanent Trip Function).
• Cầu chì tự rơi (FCO): Thiết bị đóng cắt kết hợp dây chảy, bảo vệ quá dòng và ngắn mạch cho máy biến áp phân phối 22/0.4kV có công suất dưới 2000kVA hoặc các tuyến nhánh phân phối.
• Máy biến dòng (CT) và máy biến điện áp (VT): Thiết kế và thử nghiệm tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 61869-1, IEC 61869-2, IEC 61869-3, TCVN 11845-2, TCVN 11845-3, TCVN 7697-1 và TCVN 7697-2. CT có các thông số giới hạn dòng ổn định nhiệt $I_{th} = 1.2 \times I_R$ (không vượt quá 25kA), dòng ổn định điện động $I_{dyn} = 2.5 \times I_{th}$, cấp chính xác đo lường và cấp bảo vệ 5P20; công thức biến đổi dòng điện $I_s = I_p \times (N_p / N_s)$. VT thực hiện biến đổi điện áp theo tỷ số $U_1 / U_2 = N_1 / N_2 = k$.
• Các chức năng bảo vệ quá dòng theo chuẩn ANSI:
  • Chức năng 50 (Instantaneous Overcurrent - IOC): Quá dòng cắt nhanh pha, dòng khởi động sơ cấp $I_{\text{pickup-primary}} = K_{at} \times I_{nm-\max}$; dòng thứ cấp $I_{\text{pickup-secondary}} = K_{sd} \times (I_{\text{pickup-primary}} / K_I)$; đặc tính thời gian độc lập (IDC), thời gian tác động tức thời.
  • Chức năng 51 (Time-Overcurrent - TOC): Quá dòng có thời gian pha, dòng khởi động sơ cấp $I_{\text{pickup-primary}} = (K_{at} \times K_{mm} / K_{tv}) \times I_{lv-\max}$ ($K_{mm} \approx 1.3$; $K_{tv} = 1$ cho rơle số); đặc tính thời gian phụ thuộc (DTC) Very Inverse theo tiêu chuẩn IEC; độ phân giải dòng đặt 0.001A; tính toán thời gian tác động theo hệ số thời gian TMS ($t_{\text{setting}} = [I_{nm-\max} / I_{\text{pickup-secondary}}] \times TMS$).
  • Chức năng 50N (Instantaneous Earth Fault - IEFP): Chạm đất cắt nhanh, dòng khởi động sơ cấp $I_{\text{pickup-primary}} = K_{at} \times 3I_{0-\max}$.
  • Chức năng 51N (Time Earth Fault - TEFP): Chạm đất có thời gian, dòng khởi động sơ cấp $I_{\text{pickup-primary}} = K_{at} \times K_{dn} \times K_{ss} \times I_{nm-\max}$ (với sai số CT $K_{ss} = 0.1$); hệ số độ nhạy đảm bảo điều kiện $k_{\text{sensitivity}} = 3I_{0-\min} / (K_I \times I_{kd-sc}) \ge 1.2$.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Tính toán giải tích các giá trị dòng ngắn mạch lớn nhất và nhỏ nhất trên đường dây 22kV để xác định thông số cài đặt cho các chức năng 50/51/50N/51N.
• Phương pháp mô phỏng số thời gian thực: Xây dựng mô hình đường dây phân phối 22kV trên phần mềm Hypersim, kết hợp các khối hàm nhúng MATLAB Function để điều khiển logic Recloser và FCO.
• Phương pháp thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HIL): Ghép nối máy mô phỏng thời gian thực OPAL-RT 5700 với rơle thực tế IM30-AP thông qua bộ khuếch đại công suất PONOVO PA30Bip; thiết kế mạch chốt giữ tín hiệu (Latching circuit) và mạch vi điều khiển Arduino để khép kín vòng phản hồi điều khiển máy cắt.
• Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật thiết bị do nhà sản xuất cung cấp (rơle IM30-AP của Microelettrica Scientifica, máy mô phỏng OPAL-RT OP5700, bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip) và kết quả đo lường dạng sóng trích xuất từ công cụ ScopeView của Hypersim.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm được cấu hình theo mô hình Hardware-In-the-Loop khép kín nhằm kiểm chứng tương tác vật lý giữa rơle bảo vệ thực tế và lưới điện mô phỏng.

Thành phần hệ thống	Thiết bị / Phần mềm sử dụng	Thông số và đặc tính kỹ thuật chính trong văn bản
Mô phỏng lưới điện	Phần mềm Hypersim	Chạy trên Windows Server; cấu hình các khối: Nguồn 22kV, Máy cắt 3 pha, Đường dây mô hình $\Pi$, Tải $R-L$ ($RL_1, RL_2$), Khối đồng bộ góc pha Point-on-Wave (POW).
Máy mô phỏng thời gian thực	OPAL-RT OP5700	Trang bị FPGA Virtex-7; giao tiếp I/O qua cổng DB37 và RJ45; 16 cổng SFP quang; cơ chế đồng bộ Master/Slave qua cáp quang TX/RX; dây nối đất vỏ máy chống nhiễu điện từ (EMI).
Bộ khuếch đại công suất	PONOVO PA30Bip	Nguyên lý khuếch đại tuyến tính; 3 kênh dòng ra (30A RMS, 210VA/kênh); 4 kênh áp ra (120V RMS, 60VA/kênh); dải tần DC đến 5kHz ($\pm$1dB); độ trễ và thời gian đáp ứng bước 20 $\mu$s.
Rơle bảo vệ vật lý	Microelettrica IM30-AP	Nguồn nuôi 220VAC; dòng định mức $I_n = 1\text{A}$ hoặc $5\text{A}$; tần số 50/60Hz; 5 tiếp điểm rơle đầu ra (4 tiếp điểm lập trình, 1 báo lỗi nguồn/nội bộ); truyền thông Modbus RTU qua RS232/RS485; tiêu chuẩn IEC 60255.
Mạch chốt giữ tín hiệu	Mạch Latching phần cứng	Thiết kế trên Proteus sử dụng vi mạch chốt SR (SR Latch); duy trì trạng thái xung cắt của rơle đưa về OPAL-RT khi máy cắt đã mở và dòng sự cố biến mất.
Mạch điều khiển Recloser	Vi điều khiển Arduino	Lập trình chu trình tự động đóng lặp lại (F79) phối hợp thời gian với FCO; nhận tín hiệu cắt từ IM30-AP và gửi tín hiệu đóng/cắt máy cắt về Hypersim.

Quy trình vận hành vòng lặp HIL diễn ra như sau:

1. Mô hình lưới 22kV chạy thời gian thực trên OP5700; khi khối POW kích hoạt sự cố ngắn mạch, tín hiệu dòng điện thứ cấp được xuất qua cổng I/O analog của OP5700.
2. Tín hiệu điện áp/dòng điện mức thấp từ OP5700 được đưa vào bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip để nâng công suất lên mức dòng thứ cấp chuẩn đưa vào đầu vào đo lường của rơle IM30-AP.
3. Rơle IM30-AP đo lường giá trị RMS thực, so sánh với ngưỡng cài đặt 50/51/50N/51N; khi phát hiện sự cố, tiếp điểm đầu ra của rơle đóng lại để gửi lệnh ngắt.
4. Tín hiệu ngắt đi qua mạch chốt giữ tín hiệu (Latching) và mạch Arduino đóng lặp lại, sau đó phản hồi về cổng digital input của OP5700 để điều khiển mở máy cắt 3 pha trong Hypersim, dập tắt dòng sự cố.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Chapter 1: Introduction)

Chương 1 thiết lập tổng quan về đề tài nghiên cứu, phân tích tầm quan trọng của hệ thống bảo vệ rơle trong bối cảnh lưới điện hiện đại hóa. Tác giả trình bày lý do lựa chọn nền tảng mô phỏng thời gian thực OPAL-RT kết hợp phần mềm Hypersim để thử nghiệm và hiệu chỉnh rơle bảo vệ quá dòng IM30-AP phối hợp với FCO. Chương này cũng phân định cụ thể 3 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp luận nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm HIL, cùng bố cục tổng thể gồm 5 chương của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Chapter 2: Theoretical Basis)

Chương 2 trình bày có hệ thống các nguyên lý kỹ thuật điện nền tảng:

• Cấu tạo và nguyên lý chu trình làm việc của Recloser (các chức năng phục hồi, duy trì đóng và khóa cắt vĩnh viễn).
• Đặc tính làm việc của cầu chì tự rơi FCO trong bảo vệ máy biến áp phân phối dưới 2000kVA và đường dây nhánh.
• Cấu tạo, nguyên lý cảm ứng điện từ và các tiêu chuẩn chế tạo (IEC 61869, TCVN) của máy biến dòng (CT) và máy biến điện áp (VT); phân tích các thông số dòng ổn định nhiệt ($I_{th}$), dòng ổn định điện động ($I_{dyn}$), cấp bảo vệ 5P20 và nguyên nhân gây sai số do bão hòa mạch từ.
• Phân loại và nguyên lý làm việc của rơle quá dòng theo chuẩn ANSI (50, 51, 50N, 51N); chi tiết hóa các công thức tính toán dòng khởi động sơ cấp, thứ cấp, hệ số an toàn ($K_{at}$), hệ số mở máy ($K_{mm}$), hệ số trở về ($K_{tv}$), đặc tính thời gian độc lập (IDC) và đặc tính phụ thuộc (DTC) Very Inverse theo chuẩn IEC, cùng công thức kiểm tra độ nhạy chạm đất ($k_{\text{sensitivity}} \ge 1.2$).

Chương 3: Giới thiệu phần mềm Hypersim và thiết bị hỗ trợ (Chapter 3: Introduction to Hypersim Software and Supporting Equipment)

Chương 3 đi sâu vào mô tả cấu trúc và thông số kỹ thuật của các công cụ phần mềm và phần cứng thực nghiệm:

• Phần mềm Hypersim: Cấu trúc giao diện 5 phần, thanh công cụ 6 tab, các bảng điều khiển giám sát (HypConsole, ecf, simout) và 3 công cụ phân tích tích hợp chuyên sâu gồm HyperView (quản lý tài nguyên, tính toán thông số phần tử), ScopeView (thu thập dữ liệu, kích hoạt sự cố qua khối POW, xuất nhập định dạng COMTRADE, MATLAB) và TestView (tự động hóa thử nghiệm).
• Phần mềm MATLAB: Môi trường tính toán số và các khối hàm nhúng MATLAB Function phục vụ thiết lập logic điều khiển.
• Máy mô phỏng OPAL-RT 5700: Quy trình biên dịch mô hình thời gian thực từ Hypersim xuống phần cứng; hướng dẫn chi tiết các cổng kết nối mặt trước (RJ45, SFP quang, mini-BNC, Synchro Master/Slave qua cáp quang TX/RX, cổng JTAG/USB) và mặt sau (nguồn, DB37 I/O, PCIe gắn card FPGA Virtex-7); quy chuẩn đấu nối dây tiếp địa chống nhiễu EMI.
• Rơle bảo vệ quá dòng IM30-AP: Thông số kỹ thuật chi tiết (nguồn 220VAC, dòng vào 1A/5A, 5 tiếp điểm đầu ra, giao tiếp Modbus RTU, tiêu chuẩn thử nghiệm cách điện IEC 60255-5 chịu xung 5kV); chức năng các phím điều khiển (Fashion, SELECT, ENTER/RESET, PROG, +/-) và hệ thống đèn LED chỉ thị trạng thái sự cố pha/đất ($I>$, $I>>$, $O>$, $O>>$). Lưu ý thiết bị đã ngưng sản xuất thương mại.
• Bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip: Cấu hình 3 kênh dòng 30A RMS, 4 kênh áp 120V RMS, tần số đáp ứng DC - 5kHz, độ trễ thời gian 20 $\mu$s.

Chương 4: Thiết kế, tính toán và mô phỏng lưới điện phân phối 22kV (Chapter 4: Design, Calculation and Simulation of 22kV on Distribution Network)

Chương 4 là chương trọng tâm về thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm:

• Xây dựng mô hình đường dây phân phối 22kV trên Hypersim với nguồn cấp, máy cắt ba pha, mô hình đường dây hình $\Pi$ mô phỏng sự cố, các phụ tải $R-L$ ($RL_1, RL_2$) và khối đồng bộ Point-on-Wave (POW).
• Lựa chọn tỷ số biến dòng CT, máy biến điện áp VT và tính toán bảng thông số chỉnh định bảo vệ 50/50N và 51/51N cho rơle IM30-AP (Bảng 4.11 trong văn bản).
• Thiết kế giải pháp kỹ thuật duy trì tín hiệu cắt: Phân tích hiện tượng mất tín hiệu cắt khi không có tự giữ (Model without Latching làm máy cắt đóng lại sai sót); thiết kế mô hình tự giữ phần mềm bằng khối SR Latch trên Hypersim; thiết kế và chế tạo mạch tự giữ tín hiệu phần cứng (Hardware-based Latching) bằng vi mạch chốt SR trên phần mềm Proteus và thi công thực tế.
• Thiết kế mạch tự động đóng lặp lại Recloser phối hợp với FCO sử dụng vi điều khiển Arduino và các khối nhúng MATLAB Function.
• Tiến hành thực nghiệm HIL và trích xuất dạng sóng trên ScopeView cho hai trường hợp sự cố: sự cố thoáng qua (transient incident) và sự cố kéo dài (prolonged fault), chứng minh sự phối hợp chính xác giữa các cấp bảo vệ.

Chương 5: Đánh giá và định hướng phát triển (Chapter 5: Conclusion and Future Development)

Chương 5 tổng kết các kết quả kỹ thuật đạt được của dự án, đánh giá tính khả thi và độ chính xác của hệ thống HIL trong việc hiệu chỉnh rơle thực tế, đồng thời đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

• Xây dựng thành công mô hình lưới điện phân phối 22kV trên phần mềm Hypersim kết nối vòng lặp kín với phần cứng thực tế qua máy mô phỏng thời gian thực OPAL-RT 5700 và bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip.
• Xác lập bộ thông số cài đặt hoàn chỉnh cho các chức năng bảo vệ 50, 51, 50N, 51N trên rơle vật lý IM30-AP theo đúng tính toán giải tích lý thuyết và tiêu chuẩn IEC/ANSI.
• Kiểm chứng và so sánh định tính/định lượng dạng sóng cắt dòng ngắn mạch giữa ba cấu hình duy trì tín hiệu ngắt:

Cấu hình mạch ngắt	Trạng thái dạng sóng dòng điện và tiếp điểm cắt	Khả năng duy trì bảo vệ
Không có mạch tự giữ (Without Latching)	Khi máy cắt mở, dòng sự cố về 0 khiến rơle nhả tiếp điểm ngắt ngay lập tức; tín hiệu điều khiển máy cắt bị mất khiến CB có nguy cơ đóng lại khi sự cố chưa giải trừ.	Không đảm bảo an toàn vận hành
Tự giữ trên phần mềm (Software SR Latch)	Khối SR Latch duy trì mức logic của lệnh ngắt trên mô hình Hypersim ngay cả khi dòng điện đã triệt tiêu, giữ máy cắt mở ổn định.	Đạt yêu cầu trên môi trường mô phỏng thuần túy
Tự giữ phần cứng (Hardware Latching)	Mạch chốt SR vật lý duy trì mức điện áp kích hoạt đưa về cổng digital input của OPAL-RT 5700, đảm bảo máy cắt mô phỏng duy trì trạng thái mở chắc chắn cho đến khi có lệnh reset.	Hoàn toàn đáp ứng yêu cầu vòng lặp thực nghiệm HIL

• Kiểm chứng thành công chu trình phối hợp bảo vệ giữa Recloser và FCO:
  • Khi xảy ra sự cố thoáng qua: Recloser thực hiện chu trình cắt nhanh và đóng lặp lại thành công, hệ thống khôi phục cung cấp điện ổn định mà FCO không bị đứt.
  • Khi xảy ra sự cố kéo dài: FCO tác động ngắt trước nếu sự cố nằm trong vùng bảo vệ nhánh; trường hợp sự cố vượt ngưỡng hoặc FCO không ngắt, rơle IM30-AP tác động ngắt máy cắt vĩnh viễn sau số chu trình đóng lặp lại cài đặt, cô lập an toàn phân đoạn sự cố.

Đóng góp của đề tài

• Làm rõ phương pháp ứng dụng công nghệ mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL) để thí nghiệm, kiểm tra chức năng và hiệu chỉnh rơle bảo vệ thực tế trước khi lắp đặt vận hành trên lưới điện thực địa.
• Thiết kế và chế tạo thành công mạch tự giữ tín hiệu phần cứng (SR Latch) kết hợp mạch điều khiển tự động đóng lặp lại bằng Arduino, giải quyết triệt để bài toán đồng bộ tiếp điểm ngắt giữa rơle vật lý và máy cắt mô phỏng thời gian thực.
• Xác nhận độ tin cậy và khả năng đáp ứng thời gian thực cao của chuỗi thiết bị OPAL-RT 5700 và PONOVO PA30Bip (thời gian trễ chỉ 20 $\mu$s).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự nêu các điểm hạn chế và định hướng phát triển:

• Hạn chế:
  • Thiết bị rơle bảo vệ sử dụng trong nghiên cứu (IM30-AP của Microelettrica Scientifica) đã ngưng sản xuất thương mại theo công bố của hãng, dẫn đến tính tương thích thực tế với các hệ thống trạm biến áp số hiện đại bị hạn chế.
  • Mô hình lưới điện 22kV mới dừng lại ở cấu trúc hai phụ tải $R-L$ tập trung và giả lập một điểm sự cố, chưa mô phỏng lưới điện phân phối phức tạp nhiều vòng khép hoặc tích hợp các nguồn điện phân tán (DG).
  • Giao tiếp giữa rơle và hệ thống mô phỏng chủ yếu dựa trên I/O vật lý (hardwired) và giao thức Modbus RTU, chưa triển khai các chuẩn truyền thông trạm biến áp số.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nâng cấp thử nghiệm trên các dòng rơle kỹ thuật số / IED hiện đại đang lưu hành phổ biến trên lưới điện.
  • Ứng dụng tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 (truyền nhận bản tin GOOSE và Sampled Values - SV qua cổng mạng quang của OPAL-RT) thay cho việc đấu nối dây cứng analog/digital.
  • Mở rộng quy mô lưới điện mô phỏng trên Hypersim thành mạng phân phối phức tạp có kết nối các nguồn năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió).

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng:

• Sinh viên, học viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện và Tự động hóa: Tài liệu hữu ích cho việc nghiên cứu lý thuyết tính toán chỉnh định bảo vệ quá dòng (50/51/50N/51N), hiểu rõ nguyên lý phối hợp giữa Recloser và cầu chì tự rơi trên lưới trung áp.
• Kỹ sư vận hành và thí nghiệm rơle: Tham khảo quy trình cài đặt, đấu nối và thiết lập môi trường thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HIL) sử dụng thiết bị mô phỏng thời gian thực OPAL-RT OP5700, phần mềm Hypersim và bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip.
• Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
  • Mục hướng dẫn cấu hình phần cứng, đấu nối chân I/O và cáp đồng bộ Master/Slave của máy mô phỏng OP5700 trong Chương 3.
  • Sơ đồ nguyên lý mạch chốt giữ tín hiệu (Latching circuit) và mã mạch vi điều khiển Arduino phối hợp Recloser - FCO trong Chương 4.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Rơle IM30-AP sử dụng nguồn cấp nào và hỗ trợ những giao thức truyền thông gì?
Theo thông số kỹ thuật được tác giả trích dẫn trong Bảng 3.3, rơle IM30-AP sử dụng nguồn cấp 220VAC, tần số hệ thống 50/60Hz. Thiết bị hỗ trợ giao thức Modbus RTU thông qua cổng giao tiếp nối tiếp RS232 hoặc RS485, cho phép kết nối máy tính hoặc tích hợp vào hệ thống SCADA để giám sát từ xa.

2. Bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip có thông số công suất và thời gian trễ đáp ứng như thế nào trong cấu hình HIL?
Bộ khuếch đại công suất PONOVO PA30Bip hoạt động theo nguyên lý khuếch đại tuyến tính, trang bị 3 kênh đầu ra dòng điện (30A RMS, công suất 210VA mỗi kênh) và 4 kênh đầu ra điện áp (120V RMS, công suất 60VA mỗi kênh). Thiết bị có dải tần số hoạt động từ DC đến 5kHz ($\pm$1dB) và thời gian trễ đáp ứng bước (step response) đạt mức 20 $\mu$s.

3. Vì sao hệ thống thực nghiệm bắt buộc phải bổ sung mạch giữ tín hiệu (Latching circuit) cho rơle IM30-AP?
Khi xảy ra sự cố, rơle IM30-AP phát hiện quá dòng và kích hoạt tiếp điểm ngắt gửi về máy cắt. Tuy nhiên, ngay khi máy cắt trong mô hình Hypersim mở ra, dòng điện sự cố lập tức bị ngắt (về 0), khiến rơle vật lý tự động hủy lệnh ngắt. Nếu không có mạch tự giữ (SR Latch) duy trì trạng thái ngắt, máy cắt mô phỏng sẽ có xu hướng đóng lại bất thường khi sự cố chưa được giải tỏa hoàn toàn.

4. Khóa luận phân định nguyên tắc phối hợp bảo vệ giữa Recloser và FCO đối với các dạng sự cố như thế nào?
FCO được bố trí bảo vệ cho các nhánh rẽ phụ tải với đặc tính ngắt nhanh khi có ngắn mạch nội bộ nhánh. Đối với sự cố thoáng qua trên trục chính, Recloser sẽ tác động cắt nhanh và đóng lặp lại để khôi phục lưới điện mà không làm đứt FCO. Đối với sự cố kéo dài trên nhánh rẽ, FCO tác động cô lập nhánh sự cố; trường hợp FCO không kịp ngắt hoặc dòng ngắn mạch vượt quá giới hạn cắt của FCO, rơle IM30-AP của Recloser sẽ tác động cắt máy cắt chính để ngăn ngừa sự cố lan rộng.

5. Cơ chế đồng bộ giữa các khung máy mô phỏng OPAL-RT 5700 được quy định ra sao?
Hệ thống OP5700 hỗ trợ hai tùy chọn đồng bộ: cáp quang (khuyến nghị) hoặc cáp đồng truyền thống. Việc đấu nối được thực hiện theo cấu hình chuỗi cúc (daisy-chain), trong đó thiết bị cấu hình là Master sẽ xuất tín hiệu từ cổng TX truyền sang cổng RX của thiết bị thứ hai (Slave). Nếu có thêm các khung máy tiếp theo, kết nối sẽ tiếp tục từ TX của máy thứ hai sang RX của máy thứ ba cho đến thiết bị cuối cùng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Quốc Tồn và Nguyễn Thanh Quý đã hoàn thành đầy đủ mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ Hardware-In-the-Loop (HIL) để kiểm chứng phối hợp bảo vệ giữa Recloser và FCO trên lưới phân phối 22kV. Thông qua việc tích hợp máy mô phỏng thời gian thực OPAL-RT 5700, phần mềm Hypersim, bộ khuếch đại PONOVO PA30Bip cùng rơle bảo vệ thực tế IM30-AP và mạch điều khiển Arduino, đề tài đã chứng minh tính chính xác của các thuật toán cài đặt bảo vệ 50/51/50N/51N và logic chu trình đóng lặp lại. Đây là công trình thực nghiệm kỹ thuật điện có giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò là tài liệu tham khảo bài bản cho công tác đào tạo, nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị rơle bảo vệ hệ thống điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ministry of Education and Training HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION  GRADUATION THESIS REARCH AND APPLICATION OF HARDWARE-IN-LOOP FOR PROTECTION COORDINATION BETWEEN RECLOSER AND FCO ON THE DISTRIBUTION NETWORK MAJOR: ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY Supervisor: Assoc. Truong Viet Anh, Ph.D Student: Nguyen Quoc Ton 21142059 Nguyen Thanh Quy 21142479 Course: 2021 – 2025 Ho Chi Minh City, July 2025 Ministry of Education and Training HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION  GRADUATION THESIS REARCH AND APPLICATION OF HARDWARE-IN-LOOP FOR PROTECTION COORDINATION BETWEEN RECLOSER AND FCO ON THE DISTRIBUTION NETWORK MAJOR: ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY Supervisor: Assoc. Truong Viet Anh, Ph.D Student: Nguyen Quoc Ton 21142059 Nguyen Thanh Quy 21142479 Course: 2021 – 2025 Ho Chi Minh City, July 2025 GRADUATION THESIS Assoc. Truong Viet Anh, Ph.D ACKNOWLEDGMENTS First of all, I would like to express my deepest gratitude to my parents – who are always there to love, support and be a solid support for me throughout my learning journey.

It is the silent sacrifice and constant care of parents that have strengthened their children to strive to overcome all difficulties and complete their graduation project – an important milestone in their lives. We would like to express our sincere gratitude to lecturers Assoc. Truong Viet Anh, Ph.D, has been dedicated to guiding, supporting and sharing valuable professional knowledge during the implementation of the project. His dedicated teaching is a great source of motivation for us to constantly try and learn.

We would also like to express our sincere thanks to all the lecturers of the University of Technology and Education of Ho Chi Minh City, especially the lecturers of the Faculty of Electrical and Electronics. The lectures and valuable experiences from teachers and teachers are not only a solid foundation of knowledge but also a baggage to help us confidently enter the future. In addition, we are grateful for the companionship and sharing from close friends who have gone through many difficulties and challenges during the years of study. It is that attachment that has created beautiful memories and strengthened us to this day.

We also remind ourselves that, in order to achieve this achievement, perseverance, the spirit of progress and the will to make unremitting efforts are indispensable. In the process of implementation, there are certainly still many shortcomings, I sincerely hope that teachers and teachers will give us suggestions and instructions so that we can improve more. I wish you good health, happiness and success on the path of education. We would like to express our sincere gratitude and thank you! v GRADUATION THESIS Assoc.

Truong Viet Anh, Ph.D TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENTS. v TABLE OF CONTENTS. vi ABBREVIATION LIST. ix LIST OF TABLES.

x LIST OF FIGURES. xi CHAPTER 1: INTRODUCTION. Tasks Of The Project. 4 CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS.

Fuse Cut-Out (FCO). Construction of current transformer. Principle of operation. Voltage transformer structure.

Operating principle of overcurrent protection. 11 CHAPTER 3: INTRODUCTION TO HYPERSIM SOFTWARE AND SUPPORTING EQUIPMENT. Hypersim Software Interface. 17 vi GRADUATION THESIS Assoc.

Truong Viet Anh, Ph. Hypersim Software Library. OPAL – RT 5700 Real-time Simulator. IM30-AP Overcurrent Protection Relay and Parameters.

IM30-AP overcurrent protection relay. Front panel interface of IM30-AP device:. PONOVO PA30Bip Signal Amplifier. I/O port of the device.

40 CHAPTER 4: DESIGN, CALCULATION AND SIMULATION OF 22KV ON DISTRIBUTION NETWORK. Line Protection Requirements. Explaining The Blocks And Functions On The Hypersim Software. Source model block.

Circuit breaker block. Fault simulation line model block. Load model block. Point – on – Wave synchronization.

Design 22KV Line On Hypersim Software. Selection of CT,VT. Explaining the blocks on the line model. Coordination Characteristic between Recloser and FCO.

Hardware based latching circuit. Design of Auto- Reclosing circuit coordinated with FCO using Arduino. Calculation of Protection Settings for the IM30P-AP Relay. 79 vii GRADUATION THESIS Assoc.

Truong Viet Anh, Ph. Model without Latching. Models with Latching in Hypersim .