Tài liệu Nghiên cứu phương pháp phân tích phổ bằng wavelet của quá trình truyền sóng để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN LÂM NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN LÂM TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS. ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Ngoài các tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng offline, thời gian thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Đỗ Trung Hải. Tác giả Nguyễn Văn Lâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến nhà trƣờng và các Thầy, Cô trong trƣờng đã tận tình giúp tôi trang bị đƣợc những tri thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi trƣờng thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin đƣợc bày tỏ lời cám ơn đến Tiến sỹ Đỗ Trung Hải, ngƣời hƣớng dẫn khoa học đã khuyến khích, chỉ dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Xin chân thành cám ơn Ban Giám đốc, các phòng chức năng cùng các bạn đồng nghiệp tại Công ty Điện lực Thái Nguyên đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho đề tài nghiên cứu. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những ngƣời bạn đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn. Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015 HỌC VIÊN Nguyễn Văn Lâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC……………………………………………………………………………1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……………………………….3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ…………………………………..……..5 MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………...8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ........................................................................................... 11 1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ ................................................ 11 1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ .................................................. 12 1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng .......................................................... 12 1.2.2 Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố .. 19 1.2.3. Phƣơng pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đƣờng dây………….............................................................................................................. 20 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN SỬ DỤNG MATLAB-SIMULINK.....................................21 2.1 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN .................................................................................................................................................. 21 2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN. ................................................................................................................................ 26 2.2.1 Các thông số đặc trƣng cho sự truyền sóng trên đƣờng dây dài: ........................ 26 2.2.2 Truyền sóng điện từ trên đƣờng dây tải điện trong chế độ xác lập ..................... 27 2.2.3. Truyền sóng điện từ trên đƣờng dây tải điện trong chế độ sự cố : ..................... 30 2.3. CÔNG CỤ MATLAB-SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN .............. 31 2.3.1. Giới thiệu về Matlab ........................................................................................... 31 2.3.2. Giới thiệu về Simulink ....................................................................................... 32 2.3.3 SimPowerSystems: Công cụ mô phỏng lƣới điện ............................................... 36 Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2.4. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƢỜNG DÂY DÀI SỬ DỤNG CÔNG CỤ MATLAB/SIMULINK .......................................................................................... 41 CHƢƠNG 3 :ỨNG DỤNG WAVELET PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI CHỦ ĐỘNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN. 3.1. PHÂN TÍCH PHỔ CỦA TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURRIER ......44 3.2. CÔNG CỤ WAVELET TRONG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU .............................................. 47 3.2.1. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ) ............................................................. 48 3.2.2. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet ........................................................ 54 3.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ PHÂN TÍCH WAVELET .................................................... 55 3.4. ỨNG DỤNG WAVELET ĐỂ PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI TRÊN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN. ............................................................................................................... 57 CHƢƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG................................ 63 4.1.MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ................................................................................................... 63 4.2 KHI ĐƢỜNG DÂY KHÔNG SỰ CỐ: .............................................................................. 65 4.3 KHI ĐƢỜNG DÂY SỰ CỐ: .............................................................................................. 68 4.3.1 Sự cố 3 pha: ..................................................................................................................... 68 4.3.1 Sự cố 1 pha: ......................................................................................................... 71 4.3.1 Sự cố 2 pha chạm đất: ......................................................................................... 74 4.3.1 Sự cố 2 pha: ......................................................................................................... 75 4.4 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 79 Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị R0 Điện trở trên một đơn vị chiều dài đƣờng dây /km L0 Điện cảm trên một đơn vị chiều dài đƣờng dây H/km H0 Điện dung trên một đơn vị chiều dài đƣờng dây F/km G0 Điện dẫn trên một đơn vị chiều dài đƣờng dây S/km Vref Sóng tín hiệu điện áp phản hồi V Vinc Sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ Vinc (sóng tới) V V Vận tốc truyền sóng trên đƣờng dây truyền tải điện I Dòng điện A l Chiều dài đƣờng dây km Chiều dài từ đầu đƣờng dây đến điểm sự cố km Rf Điện trở sự cố  IF Dòng điện sự cố A ZL Tổng trở của đƣờng dây   hệ số khúc xạ  hệ số phản xạ Lfault Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Km/s 3 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Vận tốc truyền sóng trên đƣờng dây truyền tải điện…………………………68 Bảng 2: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất………………70 Bảng 3: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất tại vị trí L=20Km với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau……………………………………....71 Bảng 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất……………..…73 Bảng 5: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất tại vị trí L=20Km với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………….....…73 Bảng 6: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất……………..…75 Bảng 7: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………..............75 Bảng 8: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha ……………………….…77 Bảng 9: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau…………………………………….....77 Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đƣờng dây truyền tải sử dụng phƣơng pháp điện 14 kháng đơn Hình 1.2: Minh họa phƣơng pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn 16 Hình 1.3: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đƣờng dây 19 Hình 2.1: Sơ đồ thay thế đƣờng dây 21 Hình 2. 2: Bố trí dây dẫn trên cột theo hình tam giác. a)Dây dẫn đặt trên đỉnh tam giác 25 bất kỳ. b)Dây dẫn đặt trên đỉnh tam giác đều Hình 2.3: Bố trí dây dẫn trên cột theo mặt phẳng nằm ngang 25 Hình 2.4: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng để giải bài toán truyền sóng 27 Hình 2.5: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng của mạch có tải thuần trở 28 Hình 2.6: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng của mạch 29 Hình 2.7: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng của mạch có tải thuần R song song L 29 Hình 2.8: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng của mạch R song song C 30 Hình 2.9: Mô hình Petersen tƣơng đƣơng của mạch R song song C 30 Hình 2.10: Giao diện Simulink 33 Hình 2.11: Thƣ viện các khối nguồn 34 Hình 2.12: Thƣ viện các khối hiển thị 35 Hình 2.13: Công cụ mô phỏng SimPowerSystems 36 Hình 2.14: Thƣ viện các khối nguồn trong SimPowerSystems 37 Hình 2.15: Thƣ viện Elements trong SimPowerSystems 38 Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 5 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 2.16: Block cài đặt thông số cho đƣờng dây thông số dải 38 Hình 2.17: Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha 39 Hình 2.18: Block cài đặt thông số cho cổng kết nối 40 Hình 2.19: Thƣ viện các khối đo lƣờng 40 Hình 2.20: Giao diện cài đặt các thông số mô phỏng trên simulink. 41 Hình 2.21: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ 41 trên đƣờng dây 3 pha không có sự cố ở giữa đƣờng dây Hình 2.22: Mô hình nguồn phát xung một chiều 3 pha 42 Hình 2.23: Mô hình thiết bị đo tín hiệu phản hồi từ điểm sự cố và cuối đƣờng dây 43 Hình 2.24: Mô hình cài đặt thông số sự cố. 43 Hình 3.1: Phổ Fourrier biên độ của tín hiệu điều hòa (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ 45 Hình 3.2: Phổ Fourier của tín hiệu bất định (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ) 46 Hình 3.3: Minh họa hàm có độ rộng hữu hạn 48 Hình 3.4: Hàm co dãn (trên) và hàm sinh (dƣới) của wavelet Haar 49 Hình 3.5: Một số wavelet kinh điển 50 Hình 3.6: Cấu trúc các bƣớc liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành 51 phần chi tiết và xấp xỉ Hình 3.7: Kết quả phân tích tín hiệu tuần hoàn theo họ wavelet Daubechies bậc 4 52 (trên cùng bên trái: tín hiệu gốc, các cửa sổ còn lại: các thành phần tách ra đƣợc) Hình 3.8: Kết quả phân tích tín hiệu bất định bằng họ wavelet Daubechies 4 (phía trên 51 bên trái: tín hiệu gốc, các hình còn lại: các thành phần tách ra đƣợc từ tín hiệu ban đầu) Hình 3.9: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin() Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 54 6 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.10: Công cụ wavelet toolbox trong phần mềm matlab. 56 Hình 3.11: Công cụ phân tích tín hiệu trong wavelet. 56 Hình 3.12: Tín hiệu đo đƣợc tại đầu đƣờng dây khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại vị trí 57 l=25km. Hình 3.13: Phân tích tín hiệu hình 3.12 bằng wavelet Daubechies bậc 4 58 Hình 3.14: Thành phần chi tiết d1 của phân tích wavelet Daubechies bậc 4 và hình 58 ảnh phóng to của tín hiệu Hình 3.15: Các thời điểm cần xác định trên biểu đồ điện áp đầu đƣờng dây để xác 59 định vị trí sự cố nếu có Hình 3.16: Lƣu đồ thuật toán sử dụng wavelet để xác định vị trí sự cố 60 Hình 3.17: Lƣu đồ thuật toán xác định vận tốc sóng truyền trên đƣờng dây truyền tải 62 điện Hình 3.18: Lƣu đồ thuật toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện 62 Hình 4.1: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên 63 đƣờng dây 3 pha không có sự cố ở giữa đƣờng dây Hình 4.2: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên 64 đƣờng dây 3 pha có sự cố ở giữa đƣờng dây Hình 4.3: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên 64 đƣờng dây 3 pha có sự cố ở giữa đƣờng dây khi không có tải Hình 4.4: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi không có sự cố tải P=50MW 66 Hình 4.5: Phân tích tín hiệu bằng wavelet sử dụng matlab và simulink 66 Hình 4.6: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi không có sự cố tải P, Q và hình ảnh 67 phóng to tín hiệu phản hồi về từ cuối đƣờng dây. Hình 4.7: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp phân tích bằng wavelet từ tín hiệu đầu đƣờng dây khi không sự cố Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 7 http://www.lrc.tnu.edu.vn 67 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.8: Mô hình phần tử sự cố 3 pha 68 Hình 4.9: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 3 pha tại 20 km 69 Hình 4.10: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đo đƣợc khi sự cố 3 pha 69 Hình 4.11: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đƣợc phóng to 69 Hình 4.12: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 3 pha tại 20 km 70 Hình 4.13: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đo đƣợc khi sự cố 3 pha tại 70 20km. Hình 4.14: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 1 pha tại 50 km 72 Hình 4.15: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 1 pha tại 50Km 72 Hình 4.16: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đƣợc phóng to 72 Hình 4.17: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 1 pha tại 20 km 73 Hình 4.18: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 2 pha chạm đất tại 20 km 74 Hình 4.19: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha chạm đất tại 74 20Km Hình 4.20: Tín hiệu đầu đƣờng dây đo đƣợc khi sự cố 2 pha tại 20 km 76 Hình 4.21: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km 76 Hình 4.22: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km phóng 76 to đoạn tín hiệu sự cố. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 8 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hƣởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lƣợng năng lƣợng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện có thể do sét đánh, cách điện bị già hóa, cây cối đổ vào đƣờng dây,…. Do đƣờng dây có chiều dài lớn đi trên địa hình phức tạp dẫn tới khi sự cố xẩy ra quá trình tìm kiếm để xác định vị trí sự cố mất rất nhiều thời gian, dẫn tới thời gian xử lý sự cố lâu, ảnh hƣởng tới quá trình cung cấp điện liên tục. Do đó bài toán phát hiện dạng sự cố và vị trí của sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện là yêu cầu cấp thiết. Trong thực tế hiện nay việc xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây tải điện dựa vào rơle tổng trở, tuy nhiên phƣơng pháp này có sai số lớn do chƣa tính đến giá trị điện cảm của sự cố gây ra. Trong các mô hình đƣợc thí nghiệm, chủ yếu đƣờng dây truyền tải điện đƣợc mô hình hóa dƣới dạng đƣờng dây dài với các thông số đặc trƣng cho quá trình truyền sóng. Vì vậy, nội dung của đề tài đề cập đến “Nghiên cứu phương pháp phân tích phổ bằng Wavelet của quá trình truyền sóng để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện” nhằm hỗ trợ quá trình định vị và khắc phục các sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế và nâng cao độ tin cậy và chất lƣợng năng lƣợng cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Việc xây dựng thành công một giải pháp phân tích và phát hiện vị trí điểm sự cố sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đƣa vào vận hành sẽ có khả năng đƣa lại hiệu quả cao về mặt kinh tế - kỹ thuật do tăng cƣờng đƣợc độ chính xác nhằm hỗ trợ cho quá trình khắc phục sự cố đƣợc nhanh hơn. 1. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu tìm hiểu quá trình sóng lan truyền trên đƣờng dây truyền tải điện, dựa trên phân tích sóng phản hồi từ vị trí sự cố về đầu đƣờng dây để định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 9 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2. Nhiệm vụ nghiên cứu: Đƣa ra đƣợc những kiến thức, những bƣớc cơ bản để ứng dụng phƣơng pháp phân tích sóng phản hồi để định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:  Lƣới điện truyền tải.  Quá trình truyền sóng trên đƣờng dây truyền tải điện.  Ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản hồi. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu là: Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu, phƣơng pháp thống kê thu thập dữ liệu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Phƣơng pháp phân tích sóng phản hồi trên đƣờng dây truyền tải điện tuy đã đƣợc nghiên cứu trên thế giới nhƣng còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Đề tài này hi vọng ứng dụng phƣơng pháp phân tích phổ bằng Wavelet để định vị điểm sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện, giảm thời gian kiểm tra, nhanh chóng khôi phục cấp điện cho khách hàng. Sử dụng mô hình Matlab – Simulink để mô phỏng đƣờng dây tải điện khu vực Thành phố Thái Nguyên. Qua mô hình này sẽ mô phỏng sự cố và quá trình truyền sóng từ đó trình bày phƣơng pháp phân tích sóng thu đƣợc để định vị sự cố. 6. Nội dụng đề tài Đề tài gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về các phƣơng pháp định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện. Chƣơng 2: Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đƣờng dây truyền tải điện sử dụng Matlab-simulink. Chƣơng 3: Ứng dụng wavelet phân tích sóng phản hồi chủ động xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện. Chƣơng 4: Các kết quả tính toán và mô phỏng. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 10 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao, có rất nhiều đƣờng dây truyền tải điện đƣợc xây dựng nhằm đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải đã dẫn đến một sự gia tăng lớn về số lƣợng các đƣờng dây truyền tải cũng nhƣ tổng chiều dài của chúng. Các đƣờng dây truyền tải đƣợc sử dụng để truyền tải điện năng từ các nguồn điện đến các trung tâm phụ tải. Những đƣờng dây này trong quá trình truyền tải điện năng thƣờng gặp các dạng sự cố do những nguyên nhân khác nhau nhƣ: sét đánh, ngắn mạch, thiết bị bị sự cố, sự cố điều khiển, sự cố do con ngƣời, quá tải và lão hóa... Các dạng sự cố này đều phải được phát hiện, cô lập và sửa chữa trước khi đƣa trở lại làm việc. Việc khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường của đƣờng dây bị sự cố chỉ có thể được tiến hành nhanh nhất nếu biết được chính xác vị trí sự cố hoặc ước lƣợng đƣợc vị trí sự cố với độ chính xác hợp lý. Thời gian khắc phục sự cố càng kéo dài càng không có lợi, gây nên mất điện đến các hộ tiêu thụ và có thể dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế đặc biệt là đối với các ngành công nghiệp sản xuất, gây mất ổn định trong hệ thống điện... Như vậy việc nhanh chóng phát hiện, định vị, cô lập và khắc phục những sự cố là rất quan trọng trong việc đảm bảo chế độ làm việc tin cậy của hệ thống điện. Tầm quan trọng của nghiên cứu này phát sinh từ sự cần thiết nhằm giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện và thời gian sửa chữa giúp xác định chính xác hơn vị trí sự cố, khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường của đường dây bị sự cố đặc biệt là các đƣờng dây truyền tải điện áp cao ở các khu vực có địa hình khó khăn. Mặt khác, thời gian phục hồi lại trạng thái làm việc bình thường của các đường dây bị sự cố cũng bao gồm cả thời gian để tìm vị trí sự cố. Điều này có thể đạt được bằng cách tính toán ước lượng chính xác vị trí sự cố giúp cho khâu xử lý sự cố được tiến hành nhanh nhất có thể. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 11 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Khi có một sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải điện, hệ thống bảo vệ sẽ gửi tín hiệu đến máy cắt, cắt điện cô lập điểm sự cố. Trong lƣới điện truyền tải đƣợc mức độ ảnh hƣởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lƣới phân phối. Hiện nay một số đƣờng dây tải điện với cấp điện áp từ 110 kV trở lên đƣợc trang bị bảo vệ khoảng cách. Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách báo vị trí với một mức sai số tƣơng đối lớn (có thể từ vài km đến hàng chục km). Do đó các phƣơng pháp mới để định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải hiện vẫn đang là đề tài đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển. 1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ Bài toán định vị sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện là bài toán kinh điển do đó đã có nhiều công trình nghiên cứu trình bày nhiều phƣơng pháp khác nhau. Mỗi phƣơng pháp có những ƣu và nhƣợc điểm riêng. Những phƣơng pháp này có thể đƣợc phân loại theo nhiều nhóm, ví dụ nhƣ phƣơng pháp dựa trên trở kháng, phƣơng pháp dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố, phƣơng pháp dựa trên sóng lan truyền từ đầu đƣờng dây, ngoài ra còn có một số phƣơng pháp mới nhƣ phƣơng pháp ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo. Nhìn chung các phương pháp đều có những khả năng ứng dụng nhất định, 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 xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện. 1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng Trong phƣơng pháp dựa trên trở kháng, sự vận hành của rơle khoảng cách phụ thuộc rất nhiều vào điện trở sự cố và không hiệu quả trong trƣờng hợp có điện trở sự cố rất cao. Phƣơng pháp dựa trên trở kháng có thể đƣợc phân thành các phƣơng pháp một đầu và phƣơng pháp hai đầu phụ thuộc vào số lƣợng các thiết bị đầu cuối mà tại đó các dữ liệu điện áp và dòng điện đƣợc thu thập. Tuy nhiên phƣơng pháp tổng trở yêu cầu trở kháng ngắn mạch phải gần bằng 0 để có thể thu đƣợc kết quả ƣớc lƣợng vị trí sự cố đƣợc chính xác. Phƣơng pháp đo tổng trở ở cả hai đầu đƣờng dây có độ chính Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 12 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xác cao hơn vì ít phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch hơn. Nhƣng nhìn chung phƣơng pháp tổng trở sẽ không hiệu quả đối với các trƣờng hợp sự cố thoáng qua. Phƣơng pháp trở kháng đƣợc dùng phổ biến nhất trong các rơle khoảng cách kỹ thuật số đƣợc đặt trong trạm biến áp để bảo vệ cho các đƣờng dây. Ngoài trở kháng, khi xảy ra sự cố rơle còn tính toán và ghi lại các thông số sự cố trong bản ghi của rơle nhƣ: dạng sự cố, vùng sự cố, vị trí sự cố, giá trị tức thời của điện áp và dòng điện xung quanh thời điểm sự cố... Việc xác định vị sự cố bằng rơle khoảng cách trong thực tế còn gặp nhiều sai số do những nguyên nhân khác nhau nhƣ: ảnh hƣởng của điện trở quá độ đến đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách, ảnh hƣởng của trạm trung gian, ảnh hƣởng của tổ nối dây máy biến áp, ảnh hƣởng của sai số máy biến dòng điện (BI) và máy biến điện áp (BU), sai số của rơle do thành phần tự do gây ra khi tính toán các giá trị hiệu dụng, độ không lý tƣởng của các bộ lọc số, sai số do các bộ chuyển đổi AD, sai số của các thiết bị đo góc pha, việc tính toán cài đặt và chỉnh định rơle cũng nhƣ do việc đã loại bỏ các thành phần tín hiệu biến thiên nhanh dẫn tới mất đi một phần thông tin trong tín hiệu..., từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle khoảng cách chƣa đƣợc chính xác. a) Phƣơng pháp điện kháng đơn Các giá trị điện áp, dòng điện đo lƣờng đƣợc ở đầu đƣờng dây sẽ đƣợc sử dụng để tính toán trở kháng của đƣờng dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình (1.1). Khi trở kháng của đƣờng dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã đƣợc xác định, khoảng cách sự cố có thể đƣợc tính toán theo các phƣơng trình (1.2) và (1.3). U A  lsù cè  Z L  I A  U f (1.1) trong đó:  UA: điện áp tại đầu nguồn A; ZL: tổng trở của đƣờng dây.  IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.  lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.  Uf: điện áp sự cố. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 13 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật U A  lsù cè  Z L  I A  R f  I f (1.2) trong đó:  If: dòng điện sự cố.  Rf: điện trở sự cố đƣợc minh họa trong hình 1.1. ~ Z IA A ZB lsuco.Z Nguồn A (l-lsuco).Z If Đo lƣờng điện áp và dòng điện f ~ Nguồn B Rf Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện kháng đơn Từ công thức (1.2) khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.3): lsù cè UA  I   A  ZL Rf I  ZL  A  If    (1.3) trong đó:  Rf : điện trở sự cố.  If : dòng điện sự cố. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp điện kháng đơn Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thƣờng xảy ra do sứ đƣờng dây bị phóng điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và nhƣ vậy điện trở Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 14 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trƣờng hợp sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây ảnh hƣởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố. Điện trở hồ quang phụ thuộc vào độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau: Rarc  8750  Larc I 1,4 f (1.4) trong đó: Rarc - điện trở hồ quang; Larc - chiều dài hồ quang (m) trong trƣờng hợp không có gió; If - giá trị dòng sự cố (A). Chiều dài hồ quang ban đầu bằng khoảng cách từ dây dẫn đến cột hoặc giữa hai dây dẫn, nhƣng nó sẽ tăng và kéo dài khi có gió thổi ngang qua do sự đối lƣu và truyền sóng điện từ. Ngƣời ta đƣa ra giả thuyết điện trở hồ quang phụ thuộc vào khoảng cách dây dẫn, vận tốc gió và thời gian theo công thức: Rarc  8750   d  3  V  Tarc  (1.5) I 1,4 f trong đó: d - khoảng cách dây dẫn (m); V - vận tốc gió (m/s); Tarc - thời gian tồn tại của hồ quang. Trong trƣờng hợp dây dẫn bị đứt và rơi xuống đất thì điện trở tại điểm tiếp xúc chạm đất phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm của đất và cấp điện áp của lƣới điện. Khi sự cố các pha với nhau điện trở sự cố thƣờng nhỏ và không vƣợt quá vài ohm (Ω). Tuy nhiên điện trở sự cố lớn hơn nhiều đối với sự cố liên quan đến đất vì điện trở nối đất của cột có thể tới 10Ω thậm chí cao hơn. Trƣờng hợp đặc biệt điện trở sự cố còn lớn hơn khi sự cố dây dẫn chạm vào cây cối hoặc đứt dây và rơi xuống vùng đất khô cứng. Nhƣ vậy điện trở sự cố có giá trị từ vài ohm đến hàng trăm ohm. Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố Góc lệch pha giữa dòng điện giữa hai đầu đƣờng dây khi xảy ra sự cố, một cách gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đƣờng dây trong chế độ vận hành bình thƣờng. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế độ bình Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 15 http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật thƣờng lại phụ thuộc vào mức độ tải của đƣờng dây, do đó có thể nói dòng điện tải trên đƣờng dây có ảnh hƣởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố. b) Phƣơng pháp TAKAGI Phƣơng pháp Takagi cần cả các tín hiệu trƣớc khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất hiện sự cố. Phƣơng pháp này cũng nâng cao đƣợc độ chính xác hơn so với phƣơng pháp điện kháng đơn nhƣ giảm bớt ảnh hƣởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh hƣởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa nhƣ hình 1.2. lsuco IA . I  A ZA ~ Nguồn A lsuco.Z Định vị sự cố UA U A ZB (l - lsuco).Z If ~ Nguồn B Rf U f Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn Điện trở sự cố đƣợc tính toán theo biểu thức (1.6): Rf  U A  ZC  I A  tanh  lsuco  U A  j  Z tanh  lsuco  I A    e  C  (1.6) Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.7). lsù cè  Im(U A  I A* ) Im( Z L  I A  I A* ) (1.7) Tổng trở của đƣờng dây: Z L    ZC (1.8) trong đó:  UA: điện áp tại đo lƣờng đầu nguồn A.  ZL: tổng trở của đƣờng dây. Nguyễn Văn Lâm, Lớp K16 KTĐ - ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 16 http://www.lrc.tnu.edu.vn