Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa phối hợp rơle số trong hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tối ưu phối hợp rơle số, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Huỳnh Tuấn Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Ngọc Điều
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Tối ưu hóa phối hợp rơle số trong hệ thống điện
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các nghiên cứu liên quan
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của đề tài. Giá trị thực tiễn
• 1.6. Bố cục của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Rơle bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện
• 2.2. Bảo vệ đường dây
• 2.3. Bảo vệ thanh cái
• 2.4. Bảo vệ máy biến thế
• 2.5. Rơle bảo vệ quá dòng
• 2.5.1. Bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập
• 2.5.2. Phối hợp các bảo vệ theo thời gian
• 2.5.3. Phối hợp các bảo vệ theo dòng điện
• 2.5.4. Phối hợp bảo vệ quá dòng điện với đặc tuyến thời gian phụ thuộc
• 3. CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN PHỐI HỢP BẢO VỆ RƠLE
• 3.1. Đặc tuyến thời gian – dòng điện của rơle
• 3.2. Các điều kiện phối hợp rơle
• 3.2.1. Điều kiện thời gian trễ
• 3.2.2. Điều kiện thời gian cắt ngắn mạch tại dòng ngắn mạch lớn nhất
• 3.3. Phương án đề xuất phối hợp bảo vệ rơle quá dòng
• 3.3.1. Phối hợp cấp 1
• 3.3.2. Phối hợp cấp 2
• 3.3.3. Phối hợp cấp 3
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN TỐI ƯU PSO CỔ ĐIỂN VÀ PSO CẢI TIẾN
• 4.1. Thuật toán PSO cổ điển
• 4.1.1. Giới thiệu về PSO
• 4.1.2. Cơ sở nền tảng của thuật toán PSO
• 4.1.3. Thuật toán PSO cổ điển
• 4.2. Thuật toán PSO cải tiến
• 4.2.1. Thuật toán tối ưu PSO cải tiến với trọng số ω (GW-PSO)
• 4.2.2. Thuật toán PSO cải tiến với hệ số giới hạn (GC-PSO)
• 4.3. Áp dụng các phương pháp PSO cho bài toán tối ưu phối hợp bảo vệ rơle
• 4.3.1. Quá trình khởi tạo
• 4.3.2. Đánh giá hàm fitness
• 4.3.3. Cập nhật vận tốc
• 4.3.4. Cập nhật vị trí. Đánh giá và Chọn lọc
• 4.3.5. Dừng vòng lặp tính toán
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 5.1. Cài đạt thông số
• 5.2. Kết quả đạt được
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Hướng Phát Triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa phối hợp rơle số trong hệ thống điện

Tối ưu hóa phối hợp rơle số là một trong những yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện. Hệ thống điện hiện đại yêu cầu các thiết bị bảo vệ phải hoạt động hiệu quả và chính xác để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. Việc tối ưu hóa các cài đặt rơle không chỉ giúp giảm thiểu thời gian tác động mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp tối ưu hóa phối hợp rơle số, đặc biệt là phương pháp PSO.

1.1. Khái niệm về rơle số và vai trò trong hệ thống điện

Rơle số là thiết bị bảo vệ sử dụng công nghệ số để giám sát và điều khiển các thông số trong hệ thống điện. Chúng có khả năng xử lý thông tin nhanh chóng và chính xác, giúp phát hiện sự cố và thực hiện các biện pháp bảo vệ kịp thời. Rơle số đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

1.2. Lợi ích của việc tối ưu hóa phối hợp rơle số

Tối ưu hóa phối hợp rơle số mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu thời gian tác động của rơle, nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện và giảm thiểu thiệt hại do sự cố. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa hiện đại như PSO giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của các thiết bị bảo vệ.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa phối hợp rơle số

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tối ưu hóa phối hợp rơle số cũng gặp phải nhiều thách thức. Các đường cong rơle có thể có độ dốc khác nhau, gây khó khăn trong việc xác định các cài đặt tối ưu. Hơn nữa, việc đảm bảo rằng các đường cong không giao nhau và thỏa mãn các ràng buộc về thời gian cắt là một bài toán phức tạp.

2.1. Các vấn đề trong việc xác định cài đặt rơle

Việc xác định cài đặt rơle chính xác là rất quan trọng để đảm bảo tính chọn lọc và nhanh chóng trong việc phát hiện sự cố. Tuy nhiên, các yếu tố như độ dốc của đường cong và thời gian cắt có thể làm cho quá trình này trở nên phức tạp.

2.2. Thách thức trong việc đảm bảo phối hợp thời gian

Đảm bảo rằng các rơle hoạt động phối hợp với nhau là một thách thức lớn. Thời gian phối hợp giữa các rơle cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng để tránh tình trạng giao nhau giữa các đường cong, điều này có thể dẫn đến việc bảo vệ không hiệu quả.

III. Phương pháp tối ưu hóa phối hợp rơle số hiệu quả

Phương pháp PSO (Particle Swarm Optimization) đã được áp dụng để tối ưu hóa phối hợp rơle số. Phương pháp này sử dụng các thuật toán tối ưu bầy đàn để tìm kiếm các cài đặt rơle tối ưu, đảm bảo rằng các đường cong không giao nhau và thỏa mãn các ràng buộc về thời gian cắt.

3.1. Giới thiệu về phương pháp PSO

PSO là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên hành vi của các bầy đàn trong tự nhiên. Nó sử dụng các cá thể trong bầy để tìm kiếm giải pháp tối ưu cho bài toán, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong việc cài đặt rơle.

3.2. Ứng dụng PSO trong tối ưu hóa phối hợp rơle

Phương pháp PSO đã được áp dụng thành công trong việc tối ưu hóa phối hợp rơle số. Nghiên cứu cho thấy rằng PSO có thể giúp tìm ra các cài đặt rơle tối ưu nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời đảm bảo rằng các đường cong không giao nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp PSO trong tối ưu hóa phối hợp rơle số mang lại hiệu quả cao. Các thử nghiệm trên một mạng điện công nghiệp đã chứng minh rằng các cài đặt rơle tối ưu có thể giảm thiểu thời gian tác động và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

4.1. Kết quả từ mô phỏng mạng điện

Các mô phỏng cho thấy rằng các cài đặt rơle tối ưu đạt được thông qua phương pháp PSO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống điện. Thời gian tác động của rơle được giảm thiểu, đồng thời đảm bảo tính chọn lọc trong việc phát hiện sự cố.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp PSO

Phương pháp PSO không chỉ có thể áp dụng cho các hệ thống điện công nghiệp mà còn có thể mở rộng cho các lĩnh vực khác trong ngành điện. Việc tối ưu hóa phối hợp rơle số sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về tối ưu hóa phối hợp rơle số đã chỉ ra rằng phương pháp PSO là một công cụ hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điện. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành điện.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp PSO trong tối ưu hóa phối hợp rơle số mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu thời gian tác động và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa mới, đồng thời áp dụng công nghệ tiên tiến để nâng cao hiệu quả của các hệ thống điện trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp điện công nghiệp hiện đại, sự cố ngắn mạch có thể tạo ra dòng điện cực đại lên tới 22,8 kA, đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và gây thiệt hại hàng triệu USD cho các thiết bị như máy biến áp, cáp ngầm và thanh cái. Bài toán phối hợp bảo vệ rơle quá dòng đóng vai trò cốt lõi nhằm nhanh chóng cô lập phần tử bị sự cố, duy trì tính ổn định và liên tục của nguồn điện. Tuy nhiên, các phương pháp chỉnh định truyền thống thường gặp khó khăn lớn khi các rơle sở hữu những đường cong đặc tính thời gian - dòng điện có độ dốc khác nhau, dẫn đến hiện tượng giao cắt đặc tuyến và vi phạm khoảng thời gian phối hợp an toàn.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa thông số cài đặt rơle quá dòng bằng việc ứng dụng các biến thể của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn. Mục tiêu cụ thể là xác định chính xác giá trị đặt dòng khởi động và bội số thời gian cho từng rơle, đảm bảo triệt tiêu hoàn toàn sự giao cắt giữa các đường đặc tính, đồng thời thỏa mãn điều kiện thời gian trễ phối hợp tối thiểu 0,3 giây và giới hạn thời gian cắt tại dòng ngắn mạch lớn nhất 22,8 kA. Phạm vi nghiên cứu được triển khai trên sơ đồ lưới điện công nghiệp cấp điện áp 69/11,4 kV sử dụng máy biến áp chính công suất 16 MVA với hệ thống phân phối đa cấp gồm các xuất tuyến và phụ tải nhánh. Kết quả tối ưu hóa giúp giảm thời gian giải trừ sự cố xuống dưới 0,4 giây tại cấp phụ tải, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và đảm bảo tính chọn lọc đạt tỷ lệ chính xác 100%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết bảo vệ rơle quá dòng theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 255-3, kết hợp với các nguyên lý tối ưu hóa meta-heuristic hiện đại. Khung lý thuyết bao gồm ba họ đặc tuyến thời gian phụ thuộc tiêu chuẩn: đặc tuyến dốc tiêu chuẩn IEC 255-3A, đặc tuyến rất dốc IEC 255-3B và đặc tuyến cực dốc IEC 255-3C. Mỗi đặc tuyến được mô tả qua phương hàm phi tuyến phụ thuộc vào hai biến số chỉnh định chính: bội số thời gian tác động TD dao động từ 0,1 đến 3,0 với bước nhảy 0,05 và giá trị đặt dòng khởi động Tap dao động từ 0,2 đến 12,0 với bước tăng 0,1.

Bên cạnh đó, lý thuyết phối hợp bảo vệ rơle bậc thang xác định khoảng thời gian chọn lọc an toàn tối thiểu 0,3 giây giữa rơle bảo vệ chính và rơle dự phòng cấp trên, có tính đến sai số thời gian tương đối của rơle số từ 3% đến 5%, thời gian cắt của máy cắt chân không từ 0,06 đến 0,08 giây và thời gian quán tính dưới 0,05 giây. Về mặt tối ưu hóa, lý thuyết bầy đàn mô phỏng hành vi tìm kiếm thức ăn của các cá thể trong không gian đa chiều, liên tục cập nhật vận tốc và vị trí để tìm cực trị toàn cục mà không bị mắc kẹt tại các điểm cực trị địa phương.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số và tối ưu hóa toán học phi tuyến trên mô hình mạng điện công nghiệp thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hệ thống 6 thiết bị rơle quá dòng bảo vệ phân cấp từ nguồn đến tải: rơle tổng 52M, rơle máy biến áp 52T, rơle xuất tuyến 52F1 và các rơle nhánh phụ tải 52FA, 52FB, 52FC. Tỷ số biến dòng đo lường được chuẩn hóa tương ứng từ 150/1 đến 1000/1. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu định mẫu kỹ thuật có chủ đích theo cấu trúc hình tia điển hình của trạm biến áp 16 MVA, phản ánh đầy đủ các mức điện áp 69 kV và 11,4 kV.

Lý do lựa chọn nhóm thuật toán tối ưu hóa bầy đàn bao gồm thuật toán cổ điển, biến thể trọng số quán tính GW-PSO và biến thể hệ số thắt GC-PSO xuất phát từ đặc tính phi tuyến cao, hàm mục tiêu không khả vi và không gian tìm kiếm rời rạc của bài toán rơle. Khác với thuật toán di truyền vốn phức tạp trong việc mã hóa nhiễm sắc thể hoặc các phương pháp giải tích dễ rơi vào bế tắc khi xuất hiện nhiều ràng buộc bất đẳng thức, giải thuật bầy đàn cải tiến cho phép cân bằng xuất sắc giữa khả năng thăm dò toàn cục và khai thác cục bộ. Tiến trình nghiên cứu được thực hiện qua các giai đoạn lập trình hàm phạt vi phạm thời gian trễ, thiết lập hệ số phạt khuếch đại, lặp tính toán qua 100 đến 200 thế hệ và kiểm chứng tính hội tụ trên môi trường máy tính.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán tối ưu hóa đã đem lại các kết quả vượt trội, thể hiện rõ tính khả thi và hiệu quả của các giải thuật đề xuất:

Thứ nhất, toàn bộ các cặp rơle phối hợp liên tiếp từ cấp phụ tải đến rơle tổng đều triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng giao cắt đặc tuyến. Thời gian trễ giữa rơle bảo vệ dự phòng và rơle chính luôn duy trì trên ngưỡng an toàn 0,3 giây trên toàn dải dòng điện sự cố từ 100 A đến 22.800 A.

Thứ hai, tại dòng ngắn mạch cực đại 22,8 kA, thời gian tác động của các rơle được tối ưu hóa ở mức lý tưởng. Các rơle phụ tải 52FA, 52FB, 52FC tác động tức thời trong khoảng 0,18 đến 0,22 giây, thấp hơn nhiều so với giới hạn 0,4 giây. Rơle xuất tuyến 52F1 cắt sự cố tại 0,52 giây (đáp ứng ràng buộc dưới 0,7 giây), rơle máy biến áp 52T tác động tại 0,84 giây (dưới 1,0 giây) và rơle tổng 52M hoàn tất cắt sự cố tại 1,15 giây (dưới ngưỡng 1,3 giây).

Thứ ba, biến thể GC-PSO và GW-PSO cho thấy tốc độ hội tụ nhanh hơn khoảng 35% so với thuật toán bầy đàn cổ điển. Hàm mục tiêu đạt trạng thái tối ưu ổn định chỉ sau 40 đến 50 thế hệ lặp với giá trị hàm phạt tiệm cận mức 0 tuyệt đối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của phương pháp GC-PSO nằm ở việc áp dụng hệ số thắt, giúp kiểm soát chặt chẽ biên độ dao động của vận tốc hạt, từ đó ngăn ngừa hiện tượng phân kỳ và hội tụ sớm vốn là nhược điểm thường gặp của giải thuật cổ điển. Trong khi đó, GW-PSO với trọng số quán tính biến thiên tuyến tính giúp tăng cường khả năng tìm kiếm mở rộng ở những bước lặp đầu tiên và tập trung tinh chỉnh nghiệm ở các bước lặp cuối.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán di truyền hoặc phương pháp dò điểm thủ công, giải thuật đề xuất giúp giảm thiểu thời gian tính toán chỉnh định từ nhiều ngày làm việc xuống chỉ còn vài giây xử lý tự động, loại bỏ hoàn toàn các sai số chủ quan từ con người. Dữ liệu phối hợp có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị tọa độ logarit thời gian - dòng điện kép, thể hiện rõ khoảng cách biên an toàn giữa các đường cong đặc tính không bị chồng lấn. Đồng thời, bảng tổng hợp giá trị cài đặt Tap và TD cung cấp các thông số kỹ thuật chính xác, sẵn sàng nạp trực tiếp vào rơle bảo vệ kỹ thuật số ngoài hiện trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu khoa học và thực nghiệm tính toán, luận văn đưa ra bốn giải pháp mang tính ứng dụng cao cho ngành kỹ thuật điện:

Thứ nhất, triển khai tích hợp giải thuật tối ưu hóa bầy đàn cải tiến vào phần mềm điều khiển tự động hóa trạm biến áp và các công cụ tính toán chỉnh định rơle chuyên dụng. Đội ngũ kỹ sư bảo vệ hệ thống cần ứng dụng công cụ này để tự động hóa quy trình tính toán, hướng tới mục tiêu rút ngắn 75% thời gian thiết lập thông số trong các dự án mở rộng trạm biến áp công nghiệp trong vòng 6 đến 12 tháng tới.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình thẩm tra bảo vệ quá dòng tại các nhà máy công nghiệp bằng việc bắt buộc kiểm tra đồng thời hai điều kiện ràng buộc: khoảng thời gian phối hợp tối thiểu 0,3 giây trên toàn dải đặc tuyến và thời gian cắt giới hạn tại dòng sự cố lớn nhất 22,8 kA. Trưởng bộ phận kỹ thuật điện tại các doanh nghiệp cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật này trong quý tới.

Thứ three, nâng cấp toàn diện các rơle điện cơ cũ sang rơle kỹ thuật số đa chức năng tuân thủ tiêu chuẩn IEC 255-3. Các thiết bị mới cần hỗ trợ bước chỉnh định dòng điện 0,1 và bước thời gian 0,05 để hiện thực hóa tối đa các giá trị tối ưu tính toán được, với lộ trình hoàn thành trong thời gian 18 đến 24 tháng.

Thứ tư, xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa đồng bộ về thông số máy biến áp 16 MVA, tỷ số biến dòng CT và mức ngắn mạch của hệ thống điện. Các công ty điện lực và đơn vị tư vấn thiết kế cần định kỳ cập nhật dữ liệu này hàng năm nhằm phục vụ việc tái phối hợp bảo vệ kịp thời khi có sự thay đổi về phương thức vận hành lưới điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chính sau:

Một là, các kỹ sư thiết kế và vận hành bảo vệ rơle tại các nhà máy sản xuất, khu công nghiệp và trạm biến áp truyền tải. Luận văn cung cấp phương pháp luận và bảng thông số mẫu giúp các kỹ sư nhanh chóng giải quyết bài toán cài đặt bảo vệ chọn lọc, tránh sự cố cắt nhầm gây mất điện dây chuyền.

Hai là, các cán bộ quản lý kỹ thuật và điều độ viên tại các công ty điện lực. Tài liệu là tài liệu tham khảo giá trị để đánh giá, thẩm tra tính an toàn của các phương án chỉnh định rơle do khách hàng công nghiệp trình duyệt.

Ba là, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện và Tự động hóa. Luận văn đóng vai trò là một case study điển hình về việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo và thuật toán tối ưu hóa vào bài toán thực tiễn của ngành điện.

Bốn là, các lập trình viên và chuyên gia phát triển phần mềm kỹ thuật điện. Các thuật toán và lưu đồ giải thuật chi tiết trong luận văn cung cấp nền tảng toán học vững chắc để phát triển các module tính toán tự động trong hệ thống SCADA và Smart Grid.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải kiểm tra sự giao cắt đặc tuyến rơle trên toàn dải dòng điện?

Bởi vì mỗi cấp rơle có thể sử dụng các loại đường cong với độ dốc khác nhau như đặc tuyến cực dốc hoặc rất dốc. Nếu chỉ kiểm tra thời gian tại dòng ngắn mạch lớn nhất 22,8 kA, các đặc tuyến có thể cắt nhau tại vùng dòng điện sự cố nhỏ từ 200 A đến 1000 A, dẫn đến việc rơle cấp trên cắt trước rơle cấp dưới và làm mất tính chọn lọc.

Điểm khác biệt mấu chốt giữa GC-PSO và PSO cổ điển là gì?

Thuật toán GC-PSO bổ sung hệ số thắt vào phương trình cập nhật vận tốc hạt. Cơ chế này giúp kiểm soát chặt chẽ biên độ dịch chuyển của cá thể, triệt tiêu hiện tượng vận tốc tăng vọt mất kiểm soát, từ đó giúp giải thuật hội tụ nhanh hơn khoảng 35% và đảm bảo tìm được nghiệm tối ưu toàn cục ổn định hơn.

Khoảng thời gian phối hợp 0,3 giây được xác định dựa trên những yếu tố nào?

Giá trị 0,3 giây được tính toán dựa trên tổng thời gian bao gồm: thời gian cắt cơ khí của máy cắt từ 0,06 đến 0,08 giây, sai số đo lường và thời gian tác động của rơle số khoảng 3% đến 5%, thời gian quán tính rơle dưới 0,05 giây và một khoảng thời gian dự phòng an toàn nhằm chống lại các dao động điện áp phụ tải.

Phương pháp nghiên cứu này có thể mở rộng cho lưới điện có máy phát phân tán không?

Hoàn toàn có thể mở rộng. Khi áp dụng cho lưới điện có nguồn điện phân tán hoặc lưới điện vòng, mô hình toán học chỉ cần bổ sung thêm hướng dòng công suất và các ràng buộc của rơle quá dòng có hướng để tiếp tục tối ưu hóa thông số cài đặt một cách chính xác.

Thông số tối ưu đạt được trong luận văn có thể nạp trực tiếp vào rơle công nghiệp không?

Có thể nạp trực tiếp. Toàn bộ các giá trị dòng điện Tap với bước nhảy 0,1 và hệ số thời gian TD với bước nhảy 0,05 được mô hình hóa hoàn toàn tương thích với dải cài đặt của các dòng rơle kỹ thuật số hiện đại của các hãng thiết bị điện phổ biến trên thị trường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tối ưu hóa phối hợp rơle quá dòng sử dụng các biến thể tiên tiến của thuật toán tối ưu hóa bầy đàn.
• Đã giải quyết triệt để vấn đề giao cắt đặc tuyến thời gian - dòng điện, duy trì khoảng thời gian phối hợp CTI an toàn tối thiểu 0,3 giây trên toàn dải sự cố.
• Giảm thiểu thời gian cắt dòng ngắn mạch cực đại 22,8 kA tại cấp phụ tải xuống mức 0,18 đến 0,22 giây, bảo vệ tối đa độ bền thiết bị và máy biến áp 16 MVA.
• Chứng minh tính vượt trội của thuật toán GC-PSO với tốc độ hội tụ nhanh hơn 35% và độ tin cậy vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, sẵn sàng chuyển giao và nạp thông số vào các rơle kỹ thuật số thực tế trong lưới điện công nghiệp.

Về định hướng phát triển, trong giai đoạn 1 đến 2 năm tới, phương pháp luận này cần được mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống lưới điện phân phối phức tạp có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và cấu trúc lưới kín đa nguồn. Các doanh nghiệp và đơn vị quản lý vận hành lưới điện nên nhanh chóng tiếp cận, ứng dụng giải thuật tối ưu hóa này vào công tác quản lý kỹ thuật nhằm hiện đại hóa và nâng cao độ an toàn tin cậy của hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Tóm tắt những nghiên cứu trước đây, trình bày các hướng nghiên trước đây, trình bày phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, điểm mới, ý nghĩa và bố cục của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.  Trình bày sơ lược về các bảo vệ rơle hiện nay đang được áp dụng trên thế giới cũng như tham khảo thực tế một mô hình bảo vệ rơle mới nhất hiện nay đang áp dụng tại Việt Nam.

 Trình bày tóm tắt về các rơle bảo vệ quá dòng và đặt biệt là rơle quá dòng cắt theo đặt tuyến phụ thuộc thời gian – dòng điện. Chương 3: Bài toán phối hợp bảo vệ rơle.  Bài toán tính toán phối hợp bảo vệ rơle.  Các điều kiện ràng buộc của bài toán.

 Đề xuất phương pháp tính toán phối hợp. Chương 4: Áp dụng các thuật toán PSO.  Giới thiệu các phương pháp PSO. 5  Áp dụng các phương pháp PSO vào bài toán.

Chương 5: Kết quả.  Xuất kết quả số và hình ảnh khi chạy chương trình mô phỏng – lập trình. Chương 6: Kết luận.  Đánh giá kết quả và đưa ra hướng phát triển của đề tài.

6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Rơle bảo vệ các phần tử trong hệ thống điện. Bảo vệ đường dây. - Đối với đường dây 220kV gồm có các bảo vệ chính: bảo vệ so lệch đường dây 87L, bảo vệ khoảng cách 21. Bảo vệ dự phòng: bảo vệ khoảng cách 21, bảo vệ quá dòng có hướng 67/67N, bảo vệ quá dòng 50/51, bảo vệ quá dòng thứ tự không 50/51N.

- Đối với đường dây 66kV – 110kV gồm có các bảo vệ chính: bảo vệ khoảng cách 21. Bảo vệ dự phòng: bảo vệ quá dòng có hướng 67/67N, bảo vệ quá dòng 50/51, bảo vệ quá dòng thứ tự không 50/51N. Đối với đường dây 15kV – 23kV không có nguồn diesel: chỉ cần bảo vệ quá dòng 50/51, bảo vệ quá dòng thứ tự không 50/51N, rơle tự động đóng lại 79. Đối với đường dây 15kV – 23kV có nguồn diesel cần có thêm rơle quá dòng có hướng 67/67N.1: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ rơle ngăn lộ đường dây một trạm tích hợp tại truyền tải điện Việt Nam.

Bảo vệ thanh cái. Bảo vệ thanh cái gồm bảo vệ chính: bảo vệ thanh cái 87Bus, bảo vệ dự phòng: bảo vệ quá dòng 50/51, bảo vệ quá dòng thứ tự không 50/51N.3 Bảo vệ máy biến thế. Bảo vệ có điện: Bảo vệ so lệch máy biến thế 87T1, Bảo vệ so lệch máy biến thế 87T2, Bảo vệ chống chạm đất gần điểm trung tính máy biến thế 50REF, bảo vệ quá dòng có hướng 67/ 67N, bảo vệ quá dòng 50/51, bảo vệ quá dòng thứ tự không 50/51N. Bảo vệ không điện: + Rơle hơi 96: Rơle này đặt nối giữa thùng dầu chính và thùng dầu phụ.

Khi có sự cố bên trong máy biến thế, một lượng hơi sinh ra Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ rơle ngăn lộ đi qua rơle này tùy mức độ nặng tổng máy biến thế một trạm tích hợp tại nhẹ mà rơle này gửi tín hiệu đi báo truyền tải điện Việt Nam. động hoặc cắt máy cắt các đầu máy biến thế. + Rơle áp suất 63, 63OLTC đặt tại thân máy chính và bộ đổi nấc máy biến thế Khi có sự cố bên trong máy biến thế, áp suất tăng tùy mức độ nặng nhẹ mà rơle này gửi tín hiệu đi báo động hoặc cắt máy cắt các đầu máy biến thế. + Rơle mức dầu 33: Dùng để báo động khi mức dầu tăng cao hoặc giảm thấp.

+ Rơle nhiệt độ dầu 26O, nhiệt độ cuộn dây 26W: Dùng để báo động hoặc cắt máy cắt các đầu máy biến áp tùy theo nhiệt độ cài đặt, đồng thời gửi tín hiệu khởi động hệ thống làm mát máy biến thế. 9 + Rơle dòng dầu 80: Khi dòng dầu đạt vận tốc lớn hơn vận tốc chỉnh định rơle sẽ gửi tín hiệu tác động cắt máy cắt các đầu máy biến thế.3: Sơ đồ nguyên lý bảo vệ rơle máy biến thế một trạm tích hợp tại truyền tải điện Việt Nam.2 Rơle bảo vệ quá dòng. Bảo vệ quá dòng có thể làm việc theo đặc tính thời gian độc lập (đường 1) hoặc phụ thuộc (đường 2) hoặc hỗn hợp (đường 3;4). Thời gian làm việc của bảo vệ có đặc 10 tính thời gian độc lập không phụ thuộc vào trị số dòng ngắn mạch hay vị trí ngắn mạch, còn đối với bảo vệ có đặc tính thời gian phụ thuộc thì thời gian tác động tỉ lệ nghịch với dòng điện chạy qua bảo vệ, dòng ngắn mạch càng lớn thì thời gian tác động càng bé.1 Bảo vệ quá dòng với đặc tuyến thời gian độc lập.

Ưu điểm của dạng bảo vệ này là cách tính toán và cài đặt của bảo vệ khá đơn giản và dễ áp dụng. Thời gian đặt của các bảo vệ phải được phối hợp với nhau sao cho có thể cắt ngắn mạch một cách nhanh nhất mà vẫn đảm bảo được tính chọn lọc của các bảo vệ.4: Đặc tính thời gian của bảo vệ quá dòng độc lập (1), phụ thuộc (2) và hỗn hợp (3, 4) Hiện nay thường dùng 3 phương pháp phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng liền kề là phương pháp theo thời gian, theo dòng điện và phương pháp hỗn hợp giữa thời gian và dòng điện.1 Phối hợp các bảo vệ theo thời gian. Đây là phương pháp phổ biến nhất thường được đề cập trong các tài liệu bảo vệ rơle hiện hành. Nguyên tắc phối hợp này là nguyên tắc bậc thang, nghĩa là chọn thời 11 gian của bảo vệ sao cho lớn hơn một khoảng thời gian an toàn Δt so với thời gian tác động lớn nhất của cấp bảo vệ liền kề trước nó (tính từ phía phụ tải về nguồn).1) Trong đó: - tn: thời gian đặt của cấp bảo vệ thứ n đang xét.

- Δt: bậc chọn lọc về thời gian được xác định bởi công thức: Δt = ER.t(n-1)max + tMC (n-1) + tqt +tdp+ tdp (2.2) Với: - ER: sai số thời gian tương đối của chức năng quá dòng cấp đang xét (có thể gây tác động sớm hơn) và cấp bảo vệ trước (kéo dài thời gian tác động của bảo vệ), đối với rơle số thường ER = ( 3 ÷ 5)% tuỳ từng rơle. - tMC (n-1): thời gian cắt của máy cắt cấp bảo vệ trước, thường có giá trị lấy bằng (0,1 ÷ 0,2) sec đối với MC không khí, (0,06 ÷ 0,08) sec với MC chân không và (0,04 ÷ 0,05) sec với MC khí SF6. - tqt: thời gian sai số do quán tính khiến cho rơle vẫn ở trạng thái tác động mặc dù ngắn mạch đã bị cắt, với rơle số tqt thường nhỏ hơn 0,05 sec. - tdp: thời gian dự phòng.

Đối với rơle điện cơ bậc chọn lọc về thời gian Δt thường được chọn bằng 0,5 sec, rơle tĩnh khoảng 0,4 sec còn đối với rơle số Δt = (0,2 ÷ 0,3) sec tùy theo loại máy cắt được sử dụng. 12 Giá trị dòng điện khởi động của bảo vệ IKĐB trong trường hợp này được xác định bởi: K at .3) Ktv Trong đó: - Kat: hệ số an toàn để đảm bảo cho bảo vệ không cắt nhầm khi có ngắn mạch ngoài do sai số khi tính dòng ngắn mạch (kể đến đường cong sai số 10% của BI và 20% do tổng trở nguồn bị biến động). - Kmm: hệ số mở máy, có thể lấy Kmm= (1. - Ktv: hệ số trở về của chức năng bảo vệ quá dòng, có thể lấy trong khoảng (0,85 ÷ 0,95).

Sở dĩ phải sử dụng hệ số Ktv ở đây xuất phát từ yêu cầu đảm bảo sự làm việc ổn định của bảo vệ khi có các nhiễu loạn ngắn (hiện tượng tự mở máy của các động cơ sau khi TĐL đóng thành công) trong hệ thống mà bảo vệ không được tác động. Giá trị dòng khởi động của bảo vệ cần phải thoả mãn điều kiện: Ilvmax < IKĐB < IN min (2.4) Với: - Ilv max: dòng điện cực đại qua đối tượng được bảo vệ, thường xác định trong chế độ cực đại của hệ thống, thông thường: Ilv max = (1,05 ÷ 1,2).5) Trong trường hợp không thoả mãn điều kiện (2.4) thì phải sử dụng bảo vệ quá dòng có kiểm tra áp. - IN min: dòng ngắn mạch nhỏ nhất khi ngắn mạch trong vùng bảo vệ. 13 Khi yêu cầu phải cài đặt giá trị dòng khởi động cho rơle, giá trị này sẽ được tính theo công thức: K s(3) .6) nI Trong đó: - nI: tỷ số biến đổi của BI.

- K sđ(3) : hệ số sơ đồ, phụ thuộc vào cách mắc sơ đồ BI. - Đối với sơ đồ sao hoàn toàn K sđ(3)  1 hoặc sao khuyết thì còn sơ đồ số 8 thì K sđ(3)  3 .2 Phối hợp các bảo vệ theo dòng điện. Thông thường ngắn mạch càng gần nguồn thì dòng ngắn mạch càng lớn và dòng ngắn mạch này sẽ giảm dần khi vị trí điểm ngắn mạch càng xa nguồn. Yêu cầu đặt ra ở đây là phải phối hợp các bảo vệ tác động theo dòng ngắn mạch sao cho rơle ở gần điểm ngắn mạch nhất sẽ tác động cắt máy cắt mà thời gian tác động giữa các bảo vệ vẫn chọn theo đặc tính thời gian độc lập.

Nhược điểm của phương pháp này là cần phải biết công suất ngắn mạch của nguồn và tổng trở đường dây giữa hai đầu đường dây đặt rơle mà ta cần phải phối hợp để đảm bảo tính chọn lọc. độ chính xác của bảo vệ có thể sẽ không đảm bảo đối với các đường gần nguồn có công suất ngắn mạch biến động mạnh hoặc ngắn mạch qua tổng trở có giá trị lớn. Do những nhược điểm trên mà phương pháp phối hợp theo dòng điện thường sử dụng để bảo vệ các đường dây có công suất nguồn ít biến động và cho một dạng ngắn mạch. 14 Phương pháp này tính theo dòng ngắn mạch pha và lựa chọn giá trị đặt của bảo vệ sao cho rơle ở gần điểm sự cố nhất sẽ tác động.

Giả sử xét ngắn mạch 3 pha N (3) tại điểm N2 trên hình 2.6, giá trị dòng ngắn mạch tại N2 được xác định theo công thức: c.7) 3(Znguon  Z AB ) Trong đó: - Unguồn: điện áp dây của nguồn. - c: hệ số thay đổi điện áp nguồn, có thể lấy c = 1,1. - Znguồn: tổng trở nguồn, được xác định bằng: 2 U ngu Z nguon  on (2.8) S NM - với SNM là công suất ngắn mạch của nguồn.