Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ KIỀU LINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - Năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ KIỀU LINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên - Năm 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Lê Kiều Linh Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: : 8.52.02.01 Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với các nội dung sau: - Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn. - Sửa lại kết luận chương 1, chương 2 và kết luận chung của luận văn cho phù hợp hơn. - Bổ sung thêm các danh mục hình vẽ, bảng biểu. Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020 Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận văn TS. Đỗ Trung Hải Lê Kiều Linh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Hữu Công i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thời gian thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ Đỗ Trung Hải. Tác giả luận văn Lê Kiều Linh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết ...........................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ..............................................................................................1 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................1 6. Nội dung luận văn ...................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN ...........................................................................3 1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................3 1.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố............................................................3 1.2.1. Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng (đo lường một phía)[11,12].......3 1.2.1.1. Phương pháp điện kháng đơn ................................................................4 1.2.1.2. Phương pháp TAKAGI..........................................................................6 1.2.1.3. Phương pháp TAKAGI cải tiến .............................................................7 1.2.2. Phương pháp đo lường từ hai phía [13,14] ...................................................8 1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố .............................................................................................................................9 1.2.4. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu đường dây..............................................................................................................10 1.3. Kết luận chương 1 ..............................................................................................10 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ...........................................................................................................11 2.1. Mô hình đường dây truyền tải điện [2,4] ...........................................................11 iii 2.2. Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6] ...............................................13 2.2.1. Tổng trở sóng ZC .........................................................................................13 2.2.2. Hệ số truyền sóng  .....................................................................................14 2.2.3. Vận tốc truyền sóng v .................................................................................14 2.3. Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố [3,4] ....................................15 2.3.1. Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây thuần trở ................................................................................................................17 2.3.2. Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R nt L): ........................................................................................................17 2.3.3. Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R|| L): ..........................................................................................................18 2.3.4. Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R ||C): ..........................................................................................................19 2.3.5. Sóng lan truyền trên đường dây không có sự cố với tải cuối đường dây dạng (R nt C):........................................................................................................20 2.4. Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố ....................................20 2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................21 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN .......................................22 3.1. Phân tích phổ bằng Wavelet [1,9] ......................................................................22 3.1.1. Thuật toán Wavelet phân tích sóng phản hồi..............................................24 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của phân tích Wavelet để xác định thời điểm sóng phản hồi. .......................................................................................27 3.2. Mạng nơron mờ và ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản hồi [1,10]....27 3.2.1. Quy tắc suy luận mạng TSK .......................................................................27 3.2.2. Mô hình mạng nơron mờ TSK ....................................................................29 3.2.3. Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK ...................................................31 3.2.4. Khởi tạo mạng nơron cho quá trình học .....................................................35 3.2.5. Thuật toán phân cụm trừ mờ .......................................................................35 3.2.6. Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản hồi ....................................37 3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................39 iv CHƯƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG..............................40 4.1. Phần mềm Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện [8] .......................40 4.1.1. Thư viện Sources ........................................................................................40 4.1.2. Thư viện hiện thị Sinks ...............................................................................42 4.1.3. Thư viện SimPowerSystems .......................................................................42 4.1.4. Thư viện nguồn ...........................................................................................43 4.1.5. Thư viện Elements ......................................................................................44 4.2. Mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài để xác định vận tốc truyền sóng ...................................................................................................................................47 4.2.1. Mô hình mô phỏng ......................................................................................47 4.2.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................................49 4.3. Mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài không phân nhánh khi đường dây có sự cố......................................................................................................................51 4.3.1. Mô hình mô phỏng ......................................................................................51 4.3.2. Kết quả mô phỏng một số loại sự cố khác nhau .........................................51 4.3.2.1. Ngắn mạch 1 pha .................................................................................51 4.3.2.2. Ngắn mạch 3 pha chạm đất .................................................................53 4.3.2.3. Ngắn mạch 2 pha chạm đất .................................................................54 4.4. Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK ...........................56 4.5. Kết luận chương 4 ..............................................................................................60 KẾT LUẬN ..................................................................................................................61 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................62 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG NEURON ...................64 PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TRA MẠNG NƠRON ............................75 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu Đơn vị R0 Điện trở trên một đơn vị chiều dài đường dây /km L0 Điện cảm trên một đơn vị chiều dài đường dây H/km H0 Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây F/km G0 Điện dẫn trên một đơn vị chiều dài đường dây S/km Vref Sóng tín hiệu điện áp phản hồi Vinc Sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ Vinc (sóng tới) V V V Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện I Dòng điện A l Chiều dài đường dây km Chiều dài từ đầu đường dây đến điểm sự cố km Rf Điện trở sự cố  IF Dòng điến sự cố A ZL Tổng trở của đường dây   hệ số khúc xạ  hệ số phản xạ Lfault vi Km/s DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất ..........................53 Bảng 2: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất ..........................54 Bảng 3: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất ..........................56 Bảng 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất ..........................59 sau khi sử dụng mạng noron để hiệu chỉnh sai số .........................................................59 Bảng 5: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất ..........................60 sau khi chạy qua mạng noron để hiệu chỉnh sai số .......................................................60 Bảng 6: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất ..........................60 sau khi sử dụng mạng noron để hiệu chỉnh sai số .........................................................60 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện kháng đơn ........................................................................................................................5 Hình 1.2. Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn ...........6 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp ...........................8 Hình 1.4. Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố ................................................................8 Hình 1.5. Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây ......................10 Hình 2.1. Mô hình đường dây truyền tải hình PI một pha ............................................11 Hình 2.2. Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình PI ba pha ......................12 Hình 2.3. Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng ........................16 Hình 2.4. Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở............................17 Hình 2.5. Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L .......................17 Hình 2.6. Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L .........18 Hình 2.7. Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C ............................19 Hình 2.8. Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C ................................ 20 Hình 3.1. Một số Wavelet kinh điển..............................................................................24 Hình 3.2. Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành phần chi tiết và xấp xỉ ....................................................................................................25 Hình 3.3. Mạng nơron mờ TSK.....................................................................................30 Hình 3.4. Thuật toán học mạng TSK .............................................................................33 Hình 3.5. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha ......................................38 Hình 3.6. Hình ảnh phóng to tín hiệu đầu đường dây ở hình bên .................................38 Hình 3.7. Minh họa về việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm to để làm dữ liệu đưa vào mạng nơron ...................................................................................38 Hình 4.1. Thư viện các khối nguồn ...............................................................................40 Hình 4.2. Thư viện các khối hiển thị .............................................................................42 Hình 4.3. Thư viện công cụ mô phỏng SimPowerSystems ...........................................43 Hình 4.4. Thư viện các khối nguồn trong SimPowerSystems .......................................43 Hình 4.5. Thư viện Elements trong SimPowerSystems ................................................44 Hình 4.6. Block cài đặt thông số cho đường dây thông số dải ......................................45 Hình 4.7. Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha ....................................................45 Hình 4.8. Block cài đặt thông số cho cổng kết nối ........................................................46 viii Hình 4.9. Thư viện các khối đo lường ...........................................................................46 Hình 4.10. Mô hình các khối đo lường..........................................................................47 Hình 4.11. Mô hình nguồn phát xung một chiều 3 pha .................................................48 Hình 4.12. Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây với nguồn phát xung 1 chiều .......................................................................................................................................48 Hình 4.13. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải thuần trở Rtai=100() ...............49 Hình 4.14. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R || C ( Rtai=100(), C=1µF). ...49 Hình 4.15. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R nt L (Rtai=100(), L=10mH .50 Hình 4.16. Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố và hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây ..........................................................................50 Hình 4.17. Sơ đồ mô phỏng đường dây sự cố ...............................................................51 Hình 4.18. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................52 Hình 4.19. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0,1mH. ..........................................................................................52 Hình 4.20. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................53 Hình 4.21. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=1mH ..............................................................................................54 Hình 4.22. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 ....................................................................................................55 Hình 4.23. Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=1mH ..............................................................................................55 Hình 4.24. Đồ thị đáp ứng đầu ra của mạng TSK .........................................................58 Hình 4.25. Đồ thị sai số giữa kết quả học và dữ liệu đầu vào .......................................58 Hình 4.26. Đồ thị hàm đáp ứng đầu ra kết quả kiểm tra của mạng TSK ......................58 Hình 4.27. Đồ thị sai số giữa kết quả kiểm tra và dữ liệu đầu vào ...............................59 ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết 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 hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố trên đường dây truyền tải điện có thể do sét đánh, cách điện bị già hóa, cây cối đổ vào đường dây,…. Do đường 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 hưởng tới quá trình liên tục cung cấp điện. Để góp phần rút ngắn thời gian phát hiện vị trí sự cố, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện” là cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tìm hiểu quá trình sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện, dựa trên phân tích sóng phản hồi từ vị trí sự cố về đầu đường dây để định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa ra được những kiến thức, những bước cơ bản để ứng dụng phương pháp lý thuyết mạng nơron để xác định sự cố trên đường dây truyền tải điện. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phát hiện vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 110 Kv không phân nhánh. Ứng dụng lý thuyết mạng nơron để phân tích sóng phản hồi và xác định vị trí sự cố. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp xác định điểm sự cố của lưới điện bằng mô hình toán. Xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 1 6. Nội dung luận văn Chương 1: Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện. Chương 2: Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện. Chương 3: Ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện. Chương 4: Các kết quả tính toán và mô phỏng 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1.1. Đặt vấn đề Các đường dây truyền tải được sử dụng để truyền tải điện năng từ các nguồn điện đến các trung tâm phụ tải. Những đường dây này trong quá trình truyền tải điện năng có thể xảy ra sự cố do thiên tai, thiết bị bị sự cố, sự cố điều khiển, sự cố do vận hành... Các dạng sự cố này đều phải được phát hiện, cô lập và sửa chữa. Việc khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường của đường dây bị sự cố chỉ có thể được tiến hành nhanh nhất nếu biết được chính xác vị trí sự cố hoặc ước lượng được gần đúng vị trí sự cố. Thời gian sự cố kéo dài dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế, 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. Thời gian phục hồi lại trạng thái làm việc bình thường của các đường dây bị sự cố bao gồm cả thời gian để tìm vị trí sự cố. Tính toán ước lượng chính xác vị trí sự cố giúp giảm thiểu thời gian khắc phục sự cố. Hiện nay một số đường dây truyền tải điện được 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 tương đối lớn (có thể từ vài km đến hàng chục km). Do đó, để định vị sự cố trên đường dây truyền tải chính xác hơn một số phương pháp phát hiện sự cố được quan tâm nghiên cứu và phát triển. 1.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố 1.2.1. Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng (đo lường một phía)[11,12] Trong phương 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 trường hợp có điện trở sự cố rất cao. Phương pháp tổng trở yêu cầu trở kháng ngắn mạch phải gần bằng 0 để có thể thu được kết quả ước lượng vị trí sự cố được chính xác. 3 Phương pháp dựa trên trở kháng có thể được phân thành các phương pháp một đầu và phương pháp hai đầu phụ thuộc vào số lượng các thiết bị đầu cuối mà tại đó các dữ liệu điện áp và dòng điện được thu thập. Phương pháp đo tổng trở ở cả hai đầu đường dây có độ chính xác cao hơn vì ít phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch hơn. Phương pháp trở kháng được dùng phổ biến nhất trong các rơle khoảng cách kỹ thuật số được đặt trong trạm biến áp để bảo vệ cho các đường 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 như: 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 như: ảnh hưởng của điện trở quá độ đến đến sự làm việc của bộ phận khoảng cách, ảnh hưởng của trạm trung gian, ảnh hưởng của tổ nối dây máy biến áp, ảnh hưởng 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 tưởng 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 như 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 chưa được chính xác. 1.2.1.1. Phương pháp điện kháng đơn Các giá trị điện áp, dòng điện đo lường được ở đầu đường dây sẽ được sử dụng để tính toán trở kháng của đường dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và được biểu diễn theo phương trình (1.1). 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 đường 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. U A  lsù cè  Z L  I A  R f  I f 4 (1.2) Trong đó: - If: dòng điện sự cố. - Rf: điện trở sự cố được minh họa như hình vẽ ~ IA ZA Nguồn A Z B lsuco.Z (l-lsuco).Z Đo lường điện áp và dòng điện If 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 Khi trở kháng của đường dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã biết, khoảng cách sự cố được xác định: 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. Độ chính xác của phương pháp này chịu ảnh hưởng của các thông số sau: Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố: Khi xảy ra sự cố, đặc biệt là sự cố một pha do sứ đường dây bị phóng điện, hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện trở hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trường hợp sự cố thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố. Ảnh hưởng của dòng tải trên đường dây trước sự cố: Góc lệch pha dòng điện giữa hai đầu đường dây khi xảy ra sự cố gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây trong chế độ vận hành bình thường. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế độ bình thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, 5 vì vậy dòng điện tải trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố. 1.2.1.2. Phương pháp TAKAGI Phương pháp Takagi cần cả các tín hiệu trước khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất hiện sự cố. Phương pháp này cũng nâng cao được độ chính xác hơn so với phương pháp điện kháng đơn như giảm bớt ảnh hưởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh hưởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa như hình vẽ: ~ Nguồn A ZA lsuco IA . I  A ZB lsuco.Z UA Định vị sự cố U A ~ (l - lsuco).Z Nguồn B If Rf U f Hình 1.2. Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn Điện trở sự cố được tính toán theo biểu thức: Rf  U A  Z C  I A  tanh  lsuco  U A  j  Z tanh  lsuco  I A    e  C  (1.4) Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A được xác định theo biểu thức: lsù cè Im(U A  I A* )  Im( Z L  I A  I A* ) (1.5) Tổng trở của đường dây: Z L    ZC Trong đó: - UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A. - ZL: tổng trở của đường dây. - IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A. - ZC: tổng trở đặc tính. 6 (1.6) - : hệ số lan truyền. - Rf: điện trở sự cố. - lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A. - I A : dòng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện trước sự cố. - U "A : điện áp xếp chồng, là sự chênh lệch giữa điện áp sự cố và điện áp trước sự cố. - I A* : ảnh phức liên hợp của I A . 1.2.1.3. Phương pháp TAKAGI cải tiến Phương pháp Takagi cải tiến này cũng còn được gọi là phương pháp dòng điện thứ tự không. Phương pháp này không yêu cầu dữ liệu trước sự cố vì nó sử dụng dòng điện thứ tự không thay vì xếp chồng dòng điện của sự cố chạm đất. Vị trí sự cố trong phương pháp này được xác định: lsù cè Im(U A  I R*  e  j  )  Im( Z1L  I A  I R*  e  j  ) (1.7) Trong đó: - IR: dòng điện thứ tự không, I R*  liên hợp phức của ảnh dòng điện thứ tự không. - : góc dòng điện thứ tự không. - Z1L: tổng trở thứ tự thuận của đường dây. - UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A. - IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A. - lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A. Nhận xét: - Ưu điểm nổi bật của phương pháp điện kháng đơn là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị, tuy nhiên có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng lớn bởi các nguồn nhiễu như sự bất đối xứng của đường dây, ảnh hưởng của thành phần thứ tự không hay của hỗ cảm giữa các đường dây. 7 - Phương pháp Takagi ít ảnh hưởng của điện trở sự cố và ảnh hưởng của dòng tải nhưng cần phải biết chính xác được các thông số của dòng điện pha sự cố ngay trước thời điểm xuất hiện sự cố. Các sai lệch trong các thông số này sẽ tạo thành sai số lớn trong việc ước lượng vị trí sự cố. - Phương pháp Takagi cải tiến không cần dùng giá trị của dòng điện trước sự cố nhưng lại phải xác định được góc pha của dòng điện thứ tự 0. Đây cũng là một nguồn sai số lớn của phương pháp. 1.2.2. Phương pháp đo lường từ hai phía [13,14] Phương pháp đo lường tín hiệu từ hai đầu đường dây yêu cầu tín hiệu phải được đo lường và đồng bộ từ cả hai đầu đường dây. Phương pháp này có độ chính xác cao hơn các phương pháp đo lường từ một phía vì không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn cũng như ảnh hưởng của điện trở sự cố. Xét sự cố xảy ra cách trạm A một khoảng là x (%) trên đường dây AB như trong hình vẽ A IA B IB x (1-x) IF RF Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp sự cố như sau: A IA (1-x)*ZD F IB B IF UA UF RF UB Hình 1.4. Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố Các dòng điện I A , I B và các điện áp U A , U B đo tại hai trạm được đồng bộ về mặt thời gian: 8 U F  U A  I A  x  ZD (1.8) U F  U B  I B  (1  x)  ZD (1.9) Trong đó: ZD là tổng trở của đoạn đường dây AB. Trừ hai phương trình cho nhau: U A  U B  IB  ZD  x  ZD  (IA  IB ) (1.10) Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định: X U A  U B  I B  ZD ZD  (I A  I B ) (1.11) Phương trình trên có thể áp dụng cho mọi trường hợp sự cố. Tuy nhiên, tùy theo dạng sự cố mà lựa chọn tổ hợp dòng điện và điện áp thích hợp. Ví dụ, với sự cố chạm đất một pha thì điện áp là của pha A, tuy nhiên dòng điện đưa vào tính toán cần phải bù thành phần thứ tự không. Trong thực tế, rất khó xác định đúng điện kháng thứ tự không của đường dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng thứ tự không sẽ không chính xác và gây sai số. 1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến về dòng điện và điện áp. Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên đường dây cả về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Khi sóng lan truyền đi tới một đầu đường dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó một phần của sóng này sẽ phản xạ trở lại và một phần tiếp tục lan truyền đi tiếp. Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên hình vẽ. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) có thể xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình: x l  c  t 2 Trong đó: x - khoảng cách đến điểm sự cố; l - tổng chiều dài đường dây; c - vận tốc ánh sáng. 9 (1.12)