Ước lượng định vị sự cố ngắn mạch hai vị trí không đồng bộ

Download

ƯỚC LƯỢNG ĐỊNH VỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH HAI

VỊ TRꢀ KHÔNG ĐỒNG BỘ

UNSYNCHRONIZED TWO-TERMINAL FAULT

LOCATION ESTIMATION

Trương Đình Nhơn¹, Châu Vũ²

¹Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

¹Học viên cao học, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Một kỹ thuật để ước lượng vị trí sự cố sử dụng dữ liệu từ cả hai đầu của đường dây truyền tải và

không đòi hỏi dữ liệu được đồng bộ hóa được đề xuất. Kỹ thuật này tận dụng đầy đủ các ưu điểm

của công nghệ số và rờ le số hiện nay và có thể dễ dàng áp dụng cho phân tích offline. Kỹ thuật

này cho phép ước lượng chính xác vị trí ngắn mạch cho các loại ngắn mạch, điện trở ngắn mạch,

dòng điện tải và tổng trở nguồn. Sử dụng dữ liệu hai đầu cuối cho phép các thuật toán để loại bỏ

các giả định trước đó trong dự toán vị trí lỗi, do đó tăng độ chính xác của ước tính. Nguyên lý

hoạt động không yêu cầu thông tin liên lạc thời gian thực, chỉ cần phân tích dữ liệu sau khi có sự

cố ngắn mạch xuất hiện. hiệu quả của giải thuật được chứng minh dựa trên mô phỏng trong phần

mềm Matlab/Simulink.

Từ khóa: Định vị sự cố ngắn mạch, lưới điện truyền tải, phương pháp tổng trở, MatLab/Simulink.

ABSTRACT

A technique for fault location estimation which uses data from both ends of the transmission line and which

does not require the data to be synchronized is described. The technique fully utilizes the advantages of

digital technology and numerical relaying which are available today and can easily be applied for offline

analysis. This technique allows for accurate estimation of the fault location irrespective of the fault type,

fault resistance, load currents, and source impedances. Use of two-terminal data allows the algorithm to

eliminate previous assumptions in fault location estimation, thus increasing the accuracy of the estimate.

The described scheme does not require real time communications, only off-line post-fault analysis. The

paper also presents fault analysis techniques utilizing the additional communicated information. The

performance of the proposed algorithm was demonstrated based on simulation in Matlab software /

Simulink.

Keywords: Fault location, transmission line, impedance-base approach, MatLab/Simulink.

tích hợp vào các rơle số. một số các thuật toán

này được đề xuất như trong các nghiên cứu

[1][2][3][4][5]. Các thuật toán định vị sự cố

ngắn mạch dùng dữ liệu chỉ từ một đầu đường

dây sẽ cho kết quả tốt nếu biết được các thông

số tổng trở đường dây và thỏa mãn các giả

thuyết điều kiện ban đầu đối với các thuật toán

định vị dựa trên dữ liệu trên một đầu dây như

điển hình trong [2]. Để tránh ảnh hưởng của

các giá trị tổng trở nguồn, một số giả định nhất

định cần được sử dụng, dẫn đến các giải pháp

này chỉ có tính gần đúng. Nghiên cứu trong

[4] giả định rằng tỉ số phân bố dòng điện thứ

tự nghịch là một số thực. một số nghiên cứu

khác trong [1], [5] giả định rằng tỉ số phân bố

dòng điện tại các đầu dây sự cố có cùng biên

độ. Trừ khi những giả định này là đúng đối với

1. GIỚI THIỆU

Sau khi xảy ra sự cố, các công ty cấp điện

sẽ cố gắng khôi phục nguồn điện càng nhanh

càng tốt. Phục hồi nhanh chóng dịch vụ cấp

điện làm giảm khiếu nại của khách hàng, thời

gian ngừng hoạt động, mất doanh thu và chi

phí sửa chữa. Tất cả những yếu tố này ngày

càng quan trọng đối với các công ty điện lực

khi đang đối mặt với những thách thức trong

thị trường điện cạnh tranh ngày nay. Để hỗ trợ

khôi phục dịch vụ nhanh chóng và hiệu quả,

các thuật toán đã được phát triển để cung cấp

ước lượng chính xác vị sự cố. Các thuật toán

này đã được phát triển trên nhiều nguyên tắc

sử dụng thông tin có sẵn trong trạm biến áp.

Các thuật toán sử dụng dữ liệu cục bộ đã được

thực hiện trong các thiết bị độc lập và được

một hệ thống cụ thể, các thuật toán có thể có

một lỗi đáng kể trong tính toán vị trí sự cố

ngắn mạch.

trở kháng thứ tự dương đã được đề xuất trong

[9]. Sử dụng các phép đo đồng bộ để giải

quyết bài toán định vị ngắn mạch bằng kỹ

thuật miền thời gian cũng được gợi ý trong

[10].

Một cách tiếp cận mới là xem xét việc sử

dụng dữ liệu từ cả hai đầu của đường truyền

tải, và một số kỹ thuật vị trí lỗi hai đầu đã được

đề xuất. Một bài báo sử dụng ước lượng góc

pha trước sự cố cho định vị sự cố dựa trên

thông số hai đầu đường truyền tải như trong

[5]. Các pha trước sự cố được so sánh để xác

định sai số đồng bộ hóa giữa hai đầu. Sử dụng

sai số đồng bộ hóa, vị trí sự cố được tính theo

cách đơn giản. Cách tiếp cận này yêu cầu

người sử dụng tự xác định dữ liệu trước sự cố,

tính toán sai số đồng bộ, và sau đó tính vị trí

sự cố. ngoài ra, phương pháp này không thể

áp dụng cho trường hợp không có phụ tải

trước sự cố, vị dụ trường hợp đóng lặp lại của

recloser. Một cách tiếp cận khác sử dụng các

giá trị phasngay thời điểm sự cố để xác định

vị trí sự cố [6]. Các phương trình điện áp rơi

được giải quyết bằng cách sử dụng tọa độ

Cartesian, kết quả là một phương trình bậc hai

cho các sai số góc đồng bộ được tìm được. Sau

khi sử dụng phương trình bậc hai để giải quyết

cho đồng bộ hóa sai số, vị trí sự cố có thể được

tính toán. Tuy nhiên thuật toán cũng yêu cầu

xác định chính xác loại sự cố ngắn mạch. Điều

này làm giảm hiệu quả do sai sót trong phân

loại các sự cố ngắn mạch do nhiều loại sự cố

ngắn mạch mới đang được bổ sung thêm. Một

kỹ thuật khác cho thấy việc sử dụng các bộ

đồng bộ cho vị trí lỗi hai đầu cuối [7]. Các tác

giả sử dụng các tham số ABCD để xác định

thông số đường truyền và xây dựng các

phương trình cho vị trí sự cố. Các phương

trình khác nhau được dựa trên kiểu ngắn mạch

và kỹ thuật lặp Newton đối với các phương

trình phi tuyến tính được sử dụng để phát hiện

khoảng cách tới sự cố ngắn mạch. Việc sử

dụng cả hai phương pháp đồng bộ và không

đồng bộ được đề xuất trong tài liệu tham khảo

[8]. Thuật toán mô hình hóa đường sử dụng

ma trận trở kháng ba pha và sai số đồng bộ

hóa. Vị trí sự cố ngắn mạch không xác định và

lỗi đồng bộ hóa đã được tìm ra trong một định

dạng ma trận và các phương trình đã được giải

quyết bằng cách sử dụng kỹ thuật bình

phương nhỏ nhất nếu không có sai số đồng bộ

hóa. Một kỹ thuật sử dụng đồng bộ góc pha và

Thuật toán này không phụ thuộc vào loại

lỗi, nhưng tác giả cho biết phương pháp này

bị ảnh hưởng bởi khoảng lấy mẫu và phương

pháp số đã chọn. Cần lưu ý rằng đối với tất cả

các kỹ thuật này, và một trong những chi tiết

trong bài báo này, giao tiếp thời gian thực

không bắt buộc. Trong khi một số yêu cầu dữ

liệu thời gian chính xác lấy mẫu dữ liệu, tất cả

các phân tích có thể được thực hiện off-line.

Các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới các

phương pháp xác định góc đồng bộ khi chúng

có tính khả thi cao [9], [10]. Hiện tại có một

số các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác

khi đồng bộ như sử dụng các vệ tinh địa tĩnh

(Global Positioning Satellite-GPS) hay sử

dụng cáp quang [11]. Tuy nhiên các phương

pháp này khá tốn kém cho các phần cứng đi

kèm. Điều đó hương tới phương pháp sử dụng

dữ liệu không đồng bộ giữa hai đầu đường dây

và đồng bộ chúng dựa trên các phương pháp

số hóa. Các thuật toán đồng bộ hóa dữ liệu dựa

trên các phương pháp số cho phép cải thiện độ

chính xác khi có sự bất đồng bộ giữa dữ liệu

các đầu dây do tỉ lệ laấy mẫu hoặc do sự dịch

pha của các thiết bị đo lường.

2. MÔ TẢ GIẢI THUẬT MỚI

2.1 Thời gian nhận bài viết cho từng số

Bài báo trình bày phương pháp định vị sự

cố ngắn mạch lưới truyền tải đo từ hai đầu

đường dây. Phương pháp đo từ 2 đầu đường

dây được mô tả như trong Hình 1.

Hình 1

Giả sử xuất hiện sự cố ngắn mạch tại một

điểm nào đó cách đầu A một khoảng m. Gọi

V_f

là điện áp sự cố tại điểm ngắn mạch, giá trị

V_f

được tính như sau:

Với

V_fV_Am.Z.I_A

V V  1m .Z.I

(1)

(2)

(3)

C  R.Re I  X.Im I



_A



_A

_B

(12)

(13)

(14)

(15)

C  R.Im I  X.Re I

_A





C  R.Re I  X.Im I

_B



Với:

V_A,V

C  R.Im I  X.Re I

_B



^Blà điện áp sự cố ngắn mạch tại các

Để loại bỏ tham số m, chia vế theo vế của

(10) với (11) sẽ thu được (16)

đầu dây A và B.

I_A, I

^Blà dòng điện sự cố ngắn mạch chạy

vào dây dẫn lần lượt từ A và B.

Re V .sin



 Im V cos



 Im V C



_A



_A



_B

Re V .cos

_A



 Im V sin

 Re V C

_B





_A



là tổng trở đơn vị trên đường dây.

Z  R  jX

C₁sin



 C₂cos

C₄



C₁cos



C₂sin

 C₃

(16)

Bằng cách trừ (2) cho (3) vế theo vế ta

nhận được

Quy đồng mẫu số (16) và biến đổi đẳng

thức thu được sẽ thu được phương trình lượng

giác có dạng như (17).

V V  Z.I  m.Z I  I



_B

(4)

Do dữ liệu tại hai đầu A và B chưa được

đồng bộ với nhau. Do đó, để đồng bộ hai đầu

a* sin bcos c  0

(17)

Với:



với nhau, một góc đồng bộ

được thêm vào

a 

b 

c 

C Re V C Im V C Re V

_A _A _B



phương trình (3.18) và làm cho chúng đồng

bộ thời gian với nhau. Lúc này, điện áp và

dòng điện tại các đầu dây A và B được viết lại

như sau:

C Im V C C C C



_B

(18)

(19)

(20)

C Re V C Im V C Re V

_A _A _B



C Im V C C C C



_B

V V 



_i







(5)

(6)

(7)

(8)

C Re V C Im V



_A



_A

V_BV_B_i

I  I 

C Re V C Im V



_B _B



_i







Như vậy giải phương trình lượng giác

(17) theo phương pháp giải lặp Newton –

Raphson. Phương trình lặp có dạng (21):

I_B I_B_i

,,,

Với

là các góc đo được.





_k

Phương trình (4) được viết lại như sau:

_k1



_k









_k

(21)

V .e^jV  Z.I  m.Z I .e^j I





(9)





Với các hàm số

và

được











Góc đồng bộ pha có thể được biểu diễn

thể hiện lần lượt trong (22) và (23)

cos  jsin



thành

. Phương trình (9) có



 asin_kbcos_kc





_k

(22)

(23)

thể viết dưới dạng tách riêng thành phần thực

và ảo các số phức lần lượt như trong (10) và

(11)

F   acos bsin

_k



Bài toán này yêu cầu phải cho trước một

Re V .sin  Im V cos  Im V C





_A



_A



_B

giá trị cho

để có thể bắt đầu việc tính toán.

(10)

(11)

 m C sin C cos C



₄

Vòng lặp sẽ kết thúc khi nhận được sai số nhỏ

hơn một giá trị tối thiểu được chỉ định cụ thể

Re V .cos  Im V sin  Re V C

_A _A _B





nào đó. Khi đã xác định được góc đồng bộ

vị trí sự cố ngắn mạch sẽ được tính toán dựa

 m C cos C sin C



₃

trên phương trình (3.24 hoặc 3.25).

Nếu dùng phương trình (24), vị trí sự cố

là:

Re V .sin

_A



 Im V cos



 Im V C

_B



_A



m 

(24)

C₁sin



C₂cos C₄



Hình 3 Sơ đồ mạch mô phỏng lưới điện gặp

sự cố ngắn mạch

Khi có sự cố ngắn mạch xuất hiện trên

một đường dây truyền tải, các giá trị dòng điện

và điện áp được đo tại đầu các nhánh dây. Kết

hợp với các thông số đường dây đã biết, hoàn

toàn có thể tính toán được vị trí sự cố ngắn

mạch khi sử dụng phương pháp bù góc lệch

3.2 Ngắn mạch pha A chạm đất.

Tác động của sự thay đổi vị trí ngắn mạch

lên kết quả tính toán vị trí sự cố ngắn mạch

trong trường hợp không có sự thay đổi độ lệch

đo lường giữa hai đầu nguồn trong trường hợp

ngắn mạch pha A chạm đất được thể hiện

trong Bảng 2. Qua hình nhận thấy sự sai khác

giữa giá trị thực tế vị trí ngắn mạch và giá trị

ước lượng được của phương pháp được đề

xuất là bằng 0. Điều này cho thấy ưu điểm của

phương pháp đo trên hai đầu nguồn so với các

phương pháp khác.



như được đề xuất trong các phương trình

trên.

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

3.1 Mô hình hóa mô phỏng.

Nhằm đánh giá cho giải thuật định vị sự

cố ngắn mạch được đề xuất, một mô hình

đường dây truyền tải được xây dựng trên mô

hình MatLab/Simulink được xây dựng dựa

trên thông số từ đường dây 110KV An Biên -

Vĩnh Thuận tỉnh Kiên Giang. Các thông số cơ

bản của đường dây này được trình bày trong

Bảng 1. Dựa trên các thông số thu được

Bảng 2 Kết quả định vị sự cố trong ngắn

mạch pha A chạm đất

Bảng 1 Thông số đường dây 110KV An Biên

- Vĩnh Thuận tỉnh Kiên Giang

Thông số

Giá trị

Đơn

vị

Chiề u dài đường dây 38.641

Kết quả nhận dạng sự lệch đồng bộ trong

đo lường tại hai đầu dây nguồn trong trường

hợp ngắn mạch pha Achạm đất không quá 9%

như thể hiện trong Bảng 3. Qua đó cho thấy

phương pháp nhận dạng độ lệch này cho ra kết

quả cao và chính nó giúp cho việc định vị sự

cố ngắn mạch chính xác hơn.

Loạ i dây

ACSR240/32

Tiế t diệ n (nhôm/thép) 244/31.7

mm2

Ω/km

Đường kính

21.6/7.2

615

0.1182

0.378

Dòng đị nh mức

Điệ n trở đơn vị

Điệ n kháng đơn vị

38.641 Km

V_f

Bảng 3 Kết quả xác định độ lệch trong ngắn

mạch pha A chạm đất

V_a

V_b

I_b

I_a

Hình 2 Sơ đồ đơn tuyến lưới điện truyền tải

cơ bản

giá trị ước lượng được của phương pháp được

đề xuất là bằng 0. Điều này cho thấy ưu điểm

của phương pháp đo trên hai đầu nguồn so với

các phương pháp khác.

3.3 Ngắn mạch hai pha AB chạm nhau.

Tác động của sự thay đổi vị trí ngắn mạch

lên kết quả tính toán vị trí sự cố ngắn mạch

trong trường hợp không có sự thay đổi độ lệch

đo lường giữa hai đầu nguồn trong trường hợp

ngắn mạch hai pha AB chạm nhau được thể

hiện trong Bảng 4. Qua hình nhận thấy sự sai

khác giữa giá trị thực tế vị trí ngắn mạch và

giá trị ước lượng được của phương pháp được

đề xuất nhỏ hơn 0.02%. Điều này cho thấy ưu

điểm của phương pháp đo trên hai đầu nguồn

so với các phương pháp khác.

Bảng 6 Kết quả định vị sự cố trong ngắn

mạch ba pha chạm đất.

Bảng 4 Kết quả định vị sự cố trong ngắn

mạch hai pha AB chạm nhau

Kết quả nhận dạng sự lệch đồng bộ trong

đo lường tại hai đầu dây nguồn trong trường

hợp ngắn mạch ba pha ABC chạm đất không

quá 9% như thể hiện trong Bảng 7. Qua đó cho

thấy phương pháp nhận dạng độ lệch này cho

ra kết quả cao và chính nó giúp cho việc định

vị sự cố ngắn mạch chính xác hơn.

Bảng 7 Kết quả xác định độ lệch trong ngắn

mạch ba pha chạm đất

Kết quả nhận dạng sự lệch đồng bộ trong

đo lường tại hai đầu dây nguồn trong trường

hợp ngắn mạch hai pha AB chạm nhau không

quá 8% như thể hiện trong Bảng 5. Qua đó cho

thấy phương pháp nhận dạng độ lệch này cho

ra kết quả cao và chính nó giúp cho việc định

vị sự cố ngắn mạch chính xác hơn.

Bảng 5 Kết quả xác định độ lệch trong ngắn

mạch hai pha AB chạm nhau

4. KẾT LUẬN

Bài báo đã đề xuất được phương pháp

mới trong định vị sự cố ngắn mạch đường dây

truyền tải đo từ hai đầu. Phương pháp được đề

xuất có khả năng đồng bộ thời gian của các tín

hiệu dòng áp trên hai đầu các bộ đo hoàn toàn

độc lập với quá trình đo lường thông quá việc

tính toán đại số các tín hiệu thu được. Điều

này nâng cao hiệu quả quá trình tính toán và

giảm đi sự phức tạp trong quá trình đo lường.

Kết quả thu được sau quá trình mô hình hóa

và mô phỏng cho thấy phương pháp được đề

xuất có tính khả thi cao.

3.4 Ngắn mạch ba pha chạm đất

Tác động của sự thay đổi vị trí ngắn mạch

lên kết quả tính toán vị trí sự cố ngắn mạch

trong trường hợp không có sự thay đổi độ lệch

đo lường giữa hai đầu nguồn trong trường hợp

ngắn mạch ba pha ABC chạm đất được thể

hiện trong Bảng 6. Qua hình nhận thấy sự sai

khác giữa giá trị thực tế vị trí ngắn mạch và

5. TÀI LIỆU TRÍCH DẪN:

[1] T. Takagi, “Development of a New Type Fault

Ldcator Using the One-Terminal Voltage and

Current Data,” IEEE Trans. Power Appar. Syst.,

vol. PAS-101, no. 8, pp. 2892–2898, 1982.

[7] D. J. Lawrence, L. Z. Cabeza, and L. T. Hochberg,

“Development of an Advanced Transmission

Line Fault Location System. II. Algorithm

Development and Simulation,” IEEE Trans.

Power Deliv., vol. 7, no. 4, pp. 1972–1983, 1992.

[2] G. D. R. L. Eriksson, M. Saha, “An Accurate

Fault Locator with Compensation for Apparent

Reactance in the Fault Resistance Resulting from

Remote-End Infeed,” IEEE Trans. PAS, vol. PAS-

104, no. February, pp. 424–436, 1985.

[8] A. A. Girgis, D. G. Hart, and W. L. Peterson, “A

New Fault Location Technique for Two- and

Three-Terminal Lines,” IEEE Trans. Power Deliv.,

vol. 7, no. 1, pp. 98–107, 1992.

[3] M. T. Sant and Y. G. Paithankar, “Online Digital

Fault Locator for Overhead Transmission Line,”

Proc. Inst. Electr. Eng., vol. 126, no. 11, pp. 1181–

1185, 1979.

[9] and E. U. D. G. Hart, D. Novosel, “Application

of Synchronized Phasors to Fault Location

Analysis,” Appl. Synchronized Phasors Conf.

Washington, DC, 1993., p. 1993, 1993.

[4] D. Novosel, D. G. Hart, E. Udren, and M. M. Saha,

“Fault location using digital relay data,” IEEE

Comput. Appl. Power, vol. 8, no. 3, pp. 45–50,

1995.

[10] M. Kezunovic and B. Perunicic, “An Accurate

Fault Location Using Synchronized Sampling at

Two Ends of

Applications

Conference, Washington, DC, 1993, pp. 1057–

1062.

Transmission Line,” in

Synchronized Phasors

[5] E. O. Schweitzer, “Evaluation and development

of transmission line fault-locating techniques

which use sinusoidal steady-state information,”

Comput. Electr. Eng., vol. 10, no. 4, pp. 269–278,

1983.

[11] and K. S. K. Urasawa, K. Kanemaru, S. Toyota,

“New Fault Location System For Power

Transmission Lines Using Composite Fiber-Optic

Overhead Ground Wire (OPGW),” IEEE Power

Eng. Rev., no. October, p. 43, 1989.

[6] M. S. Sachdev and R. Agarwal, “A technique for

estimating transmission line fault locations from

digital impedance relay measurements,” IEEE

Trans. Power Deliv., vol. 3, no. 1, pp. 121–129,

1988.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Châu Vũ

Đơn vị: Công ty điện cao thế Miền Nam

Điện thoại: 0963917927

Email: [email protected]

XꢁC NHẬN CꢂA CꢁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS. TRƯƠNG ĐꢃNH NHƠN

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.

7 trang Mãnh Khiết 09/01/2024 17900 Free

Download

Bạn đang xem tài liệu "Ước lượng định vị sự cố ngắn mạch hai vị trí không đồng bộ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

uoc_luong_dinh_vi_su_co_ngan_mach_hai_vi_tri_khong_dong_bo.pdf