BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ SỸ DŨNG MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ KỸ THUẬT SỐ DỰA TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC HUY Hà Nội: 2015 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn luận văn thân nghiên cứu, tính toán phân tích Có tham khảo số tài liệu báo tác giả nước xuất Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm có sử dụng kết người khác Tác giả Lê Sỹ Dũng Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Nhiệm vụ bảo vệ 1.2 Các yêu cầu hệ thống bảo vệ 1.2.1 Tính chọn lọc 1.2.2 Tác động nhanh 10 1.2.3 Độ nhạy 10 1.2.4 Độ tin cậy 10 1.2.5 Tính kinh tế 11 1.3 Bảo vệ dòng điện .11 1.3.1 Nguyên lý bảo vệ dòng 11 1.3.2 Tính toán dòng khởi động 12 1.3.3 Thời gian tác động bảo vệ 14 1.4 Bảo vệ dòng cắt nhanh 17 1.4.1 Nguyên lý tác động bảo vệ dòng cắt nhanh .17 1.4.2 Tính toán dòng bảo vệ cắt nhanh .18 1.4.3 Đánh giá bảo vệ dòng điện 21 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG 22 2.1 Nguyên lý tác động 22 2.2 Bộ phận định hướng công suất 23 2.2.1 Xét sơ đồ định hướng góc 90o -30o 26 2.2.2 Xét sơ đồ định hướng góc 90o -45o 27 2.3 Sơ đồ nối rơ le định hướng công suất 28 2.3.1 Ngắn mạch ba pha đối xứng .29 2.3.2 Ngắn mạch pha 29 2.4 Đánh giá bảo vệ dòng có hướng .30 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học 2.5 Bảo vệ dòng có hướng chạm đất 31 2.6 Bảo vệ dòng có hướng dự phòng 36 2.6.1 Nguyên lý tác động 36 2.6.2 Xác định hướng rơ le 36 CHƢƠNG SƠ ĐỒ LOGIC BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG 38 3.1 Nguyên lí hoạt động chung rơle 7SJ621 38 3.1.1 Hệ thống vi xử lí 32 bit 38 3.1.2 Khối vi xử lí C bao gồm chức điều khiển sau 39 3.1.3 Sơ đồ logic phổ biến rơ le dòng có hướng 40 3.2 Các chức bảo vệ rơ le 7SJ621 42 3.2.1 Chức bảo vệ dòng dòng có hướng 42 3.2.2 Các công thức biểu diễn đường đặc tính 43 3.2.3 Chức tự động đóng lại 44 CHƢƠNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG TRÊN NỀN MATLAB/SIMULINK 45 4.1 Tổng quan Matlab/Simulink 45 4.2 Xây dựng mô hình mô 45 4.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán bảo vệ dòng có hướng 46 4.3.1 Sơ đồ bảo vệ dòng có hướng .46 4.3.2.Sơ đồ bảo vệ dòng có hướng thứ tự không 48 4.3.3.Sơ đồ bảo vệ dòng có hướng dự phòng .50 4.4 Kết mô 51 4.4.1 Xét cố có ngắn mạch hướng (hướng thuận 0km) 51 4.4.2 Xét điển cố không hướng với rơ le (hướng nghịch 0km) .59 4.4.3 Sự cố ngắn mạch hướng(hướng thuận 30km với Rđ =5Ω) 67 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BVQD: Bảo vệ dòng BI: Máy biến dòng BU: Máy biến áp HTĐ: Hệ thống điện S/H: Trích giữ mẫu ( Sample/Hold) RMS: Giá trị hiệu dụng (Root mean squane) MTA: Góc mô men lớn (Maximun Torque Angle) AD: Tương tự sang số(Analog to Digital) BV: Bảo vệ I>: Bảo vệ dòng I>>: Bảo dòng cắt nhanh Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bị hư hỏng NM mạng Hình 1.2 Đồ thị đặc trưng trạng thái bảo vệ bị cố 12 Hình 1.3 Bảo vệ dòng điện cực đại mạng hình tia nguồn cung cấp .13 Hình 1.4: Đặc tuyến dòng điện - thời gian làm việc rơ le dòng điện 14 Hình 1.5 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc .15 Hình 1.6 Sơ đồ bảo vệ dòng cắt nhanh đường dây có nguồn cung cấp 18 Hình 1.7 Vùng tác động bảo vệ cắt nhanh .19 Hình Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp 20 Hình 2.1 Mạng hình tia có hai nguồn cung cấp 22 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc bảo vệ dòng có hướng 23 Hình 2.3 Đồ thị điện áp dòng điện, chiều công suất ngắn mạch thay đổi 24 Hình 2.4 Phân bố thành phần thứ tự thuật thứ tự nghịch có ngắn mạch 25 Hình 2.5 Giản đồ xác định vùng làm việc phân tử định hướng công suất 25 Hình 2.6 Sơ đồ 900-300 26 Hình 2.7 Sơ đồ 900-450 .27 Hình 2.8 Đặc tuyến làm việc phần tử định hướng công suất .27 Hình 2.9 Các sơ đồ nối phận định hướng công suất thông dụng 28 Hình 2.10 Đồ thị vectơ dòng áp chỗ đặt BV ngắn mạch pha 29 Hình 2.11 Đồ thị véc tơ dòng áp chỗ đặt bảo vệ ngắn mạch hai pha 30 Hình 2.12 Sơ đồ véc tơ có cố chạm đất pha A .33 Hình 2.13 Xác định hướng cố dựa điện áp .33 Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống điện sơ đồ thay thành phần đối xứng với cố pha 34 Hình 2.15 Sơ đồ định hướng đại lượng thứ tự nghịch .35 Hình 2.16 Nguyên lý định hướng dòng điện thứ tự không 36 Hình 2.17 Sơ đồ bảo vệ dòng theo hướng thuận ngược 36 Hình 2.18 Véc tơ xác định hướng công suất 37 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc phần cứng role 7SJ62 39 Hình 3.2 Sơ đồ logic rơ le bảo vệ 67( ngưỡng cắt có thời gian) .40 Hình 3.3 Sơ đồ logic rơ le bảo vệ 67 (ngưỡng cắt nhanh) 41 Hình 3.4 Đặc tính thời gian tác động 7SJ621 43 Hình 4.1 Mô hình Matlab – Simulink mô đường dây 45 Hình 4.2 Khối mô bảo vệ dòng có hướng .46 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình 4.3 Khối đưa tín hiệu đến máy cắt 46 Hình 4.4 Sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng 47 Hình 4.5 Sơ đồ khối mô bảo vệ dòng dòng có hướng 48 Hình 4.6 Sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng thứ tự không 49 Hình 4.7 Khối logic bảo vệ dòng chạm đất dòng có hướng chạm đất 49 Hình 4.8 Sơ đồ logic bảo vệ dự phòng 50 Hình 4.9 Khối locgic bảo vệ dòng dự phòng .50 Hình 4.10 Dòng điện điện áp pha trước sau cố ngắn mạch pha 51 Hình 4.11 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mạch pha 52 Hình 4.12 Dòng điện điện áp pha trước sau cố ngắn mạch pha 53 Hình 4.13 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mach hai pha 54 Hình 4.14 Dòng điện điện áp pha trước sau cố ngắn mạch pha chạm đất 55 Hình 4.15 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mạch pha chạm đất 56 Hình 4.16 Dòng điện điện áp pha trước sau cố ngắn mạch pha 57 Hình 4.17 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mạch pha 58 Hình 4.18 Dòng điện, điện áp ngắn mạch pha trước cố 59 Hình 4.19 Sơ đồ tín hiệu khối trước cố ngắn mạch pha 60 Hình 4.20 Dòng điện điện áp pha trước cố ngắn mạch ph .61 Hình 4.21 Sơ đồ tín hiệu khối trước cố ngắn mạch pha 62 Hình 4.22 Dòng điện điện áp pha trước cố ngắn mạch pha chạm đất 63 Hình 4.23 Sơ đồ tín hiệu khối trước cố ngắn mạch pha cham đất 64 Hình 4.24 Dòng điện điện áp pha trước cố ngắn mạch pha .65 Hình 4.25 Sơ đồ tín hiệu khối trước cố ngắn mạch pha .66 Hình 4.26 Dòng điện điện áp pha trước sau cố 67 Hình 4.27 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố .68 Hình 4.28 Dòng điện điện áp pha trước sau ngắn mạch(N(3)) 69 Hình 4.29 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mạch pha 70 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Cùng với phát triển mạnh mẽ kinh tế đất nước, yêu cầu chất lượng điện độ tin cậy ngày nghiêm ngặt, điều đòi hỏi hệ thống bảo vệ rơ le phải cải tiến hoàn thiện Quá trình vận hành hệ thống điện xuất cố ngắn mạch, tải, làm việc không bình thường phần tử Khi xảy cố thường kèm theo tăng đột ngột dòng điện giảm điện áp pha Khi dòng điện tăng, phần tử có dòng chạy qua bị đốt nóng mức cho phép hay bị biến dạng lực từ gây hư hỏng Khi điện áp giảm phụ tải hoạt động bình thường, máy phát điện làm việc không ổn định cố cần phát sớm xác để nhanh chóng cắt bỏ đoạn hư hỏng khỏi hệ thống, đảm bảo làm việc ổn định, bình thường Với phát triển mạng lưới truyền tải đa dạng phụ tải, yêu cầu bảo vệ đa dạng, rơ le điện truyền thống khó đáp ứng không linh hoạt thay đổi thuật toán bảo vệ Các rơ le số với ưu điểm thiết bị khả trình ngày sử dụng nhiều Chính ý nghĩa tác giả chọn đề tài “Mô rơ le bảo vệ kỹ thuật số dựa Matlab/Simulink” Mục đích nghiên cứu Đề tài “sử dụng công cụ Matlab/Simulink để mô rơ le bảo vệ kỹ thuật số” nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng thực tính toán trường hợp cố để mô bảo vệ dòng có hướng Matlab/Simulink _ Simpowersystem Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào phương pháp bảo vệ dòng bảo vệ dòng có hướng, bảo vệ dòng bảo vệ dòng có hướng thứ tự không, bảo vệ dòng có hướng dự phòng hệ thống sơ đồ logic chức bảo vệ nói Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Các trường hợp ngắn mạch xảy đường dây, để nhận biết độ nhạy xác rơ le, ta dùng công cụ Matlab/Simulink _ Simpowersystem để mô vị trí ngắn mạch khác đường dây Nội dung luận văn Phần nội dung luận văn chia làm chương: ● Chương1: Các vấn đề chung bảo vệ hệ thống điện ● Chương 2: Nguyên lý bảo vệ dòng có hướng ● Chương 3: Sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng ● Chương 4: Mô hình kết bảo vệ dòng có hướng Matlab/Simulink Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Đức Huy thầy cô môn Hệ thống điện trường đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tạo điều kiện Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học CHƢƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BẢO VỆ HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Nhiệm vụ bảo vệ Trong trình vận hành hệ thống điện xuất cố tình trạng làm việc không bình thường phần tử, phần lớn cố dòng điện tăng cao điện áp giảm thấp Các thiết bị có dòng điện tăng cao chạy qua bị đốt nóng mức cho phép bị hư hỏng điện áp giảm thấp Muốn trì hoạt động bình thường hệ thống xuất cố cần phát nhanh tốt chỗ cố cách ly khỏi phần tử để không bị hư hỏng có phần tử lại hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hại phần tử bị cố Các mạng điện đại làm việc thiếu hệ thống bảo vệ chúng theo dõi liên tục tình trạng làm việc tất phần tử HTĐ Khi xuất cố, bảo vệ phát cho tín hiệu cắt phần tử hư hỏng thông qua máy cắt điện Khi xuất chế độ làm việc không bình thường, bảo vệ phát tùy thuộc theo yêu cầu tác động để khôi phục chế độ làm việc bình thường báo tín hiệu cho nhân viên trực 1.2 Các yêu cầu hệ thống bảo vệ 1.2.1 Tính chọn lọc Khả bảo vệ cắt phần tử hư hỏng ngắn mạch gọi tính chọn lọc, hình 1.1 bị cố điển N3: yêu cầu BV3 tác động, bảo vệ lại trở cố bị loại trừ Hình 1.1 Cắt chọn lọc phần tử bị hư hỏng NM mạng Sự cố N2nhánh: bảo vệ nhánh tác động, đảm bảo tính chọn lọc Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình 4.29 Sơ đồ tín hiệu khối trước sau cố ngắn mạch pha Thời gian rơ le phát cố 0,214s, thời gian đưa tín hiệu cắt 0,234s thời gian dập tắt dòng cố 0,253s Tín hiệu chức bảo vệ dòng có hướng dự phòng, không tác động (do U > ) Vậy trường hợp ngắn mạch cho kết xác 70 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học KẾT LUẬN Luận văn mô bảo vệ dòng có hướng rơ le kỹ thuật số dựa MATLAB/SIMULINK Nguyên lý bảo vệ dòng điện có hướng bảo vệ dòng điện có hướng thứ tự không nguyên lý phổ biến để bảo vệ cho đường dây truyền tải Mô hình mô rơ le bảo vệ dòng có hướng xây dựng công cụ Simulink/simpowersystem Trong luận văn xây dựng bảo vệ dòng có hướng với hai nguồn máy phát bốn điểm cố đường dây để đánh giá độ xác tin cậy rơ le bảo vệ Các cố ngắn mạch xảy trực tiếp đường dây mô cho kết ● Đối với điểm ngắn mạch nằm gần với máy cắt vị trí 0km đường dây, thời điểm xảy cố, đến thời điểm cắt máy cắt mô cho kết xác ● Đối với điểm ngắn mạch vị trí 0km đường dây ngược hướng với rơ le có bảo vệ dòng tác động, bảo vệ dòng có hướng không tác động, kết tín hiệu mô cho kết ● Các khối logic mô bảo vệ dòng dòng có hướng, bảo vệ dòng thứ tự không, dòng có hướng thứ tự không bảo vệ dòng có hướng dự phng làm việc xác điểm cố ngắn mạch đường dây ● Hướng phát triển đề tài: + Thêm chức bảo vệ dòng có hướng sử dụng tín hiệu dòng điện điện áp thứ tự nghịch + Xét thêm ảnh hưởng trình tự đóng lại đến chức bảo vệ dòng có hướng + Xét đến hoạt động rơ le loại cố khác đứt dây, tải pha cân 71 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS VS Trần Đình Long, Bảo vệ hệ thống điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] Nguyễn Hoàng Việt, Bảo vệ rơ le tự động hóa hệ thống điện, Nhà xuất đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 2006 [4] Luận văn cao học đề tài “ Sử dụng công cụ Matlab/Simulink để mô rơ le số”, Lê Mạnh Tuấn [5] Báo cáo chuyên đề, Giải mã chức bảo vệ dòng chạm đất có hướng 67N bảo vệ dòng có hướng 67 TS Nguyễn Đức Huy [6] Siemens Manual C53000-G1140-C147-9 [7] Abhisek Ukil, Current – only Directional Overcurrent Relay 72 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học PHỤ LỤC A) SƠ ĐỒ LOGIC MÔ PHỎNG BẢO VỆ QUÁ DÕNG CÓ HƢỚNG Hình A1 Dòng điện điện áp qua khối biến đổi Fourier 73 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình A2 Sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng Hình A3 Sơ đồ logic khóa bảo vệ có hướng 74 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình A4 Sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng thứ tự không Hình A5 Khối logic xác định hướng bảo vệ dự phòng 75 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình A6 Sơ đồ logic bảo vệ dự phòng 76 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học B) MỘT SỐ KẾT QUẢ BỔ SUNG Hình B1 Dòng điện áp ngắn mạch pha điểm 30km hướng, R= 0Ω Hình B2 Tín hiệu trước sau cố ngắn mạch pha hướng 30km, R=0Ω 77 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B3 Dòng điện điện áp trước sau cố ngắn mạch pha hướng 30km, R= 0Ω Hình B4 Tín hiệu trước sau cố ngắn mạch pha hướng 30km, R= 0Ω 78 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B5 Dòng điện điện áp trước sau cố ngắn mạch pha chạm đất hướng 30km, R= 0Ω Hình B6 Tín hiệu trước sau cố ngắn mạch pha chạm đất hướng 30km, R= 0Ω 79 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B7 Tín hiệu trước sau cố ngắn mạch pha hướng 30km, R= 0Ω Hình B4 Tín hiệu trước sau cố ngắn mạch pha hướng 30km, R= 0Ω 80 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B9 Dòng áp trước cố cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω Hình B10 Tín hiệu trước cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω 81 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B11 Dòng áp trước cố cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω Hình B12 Tín hiệu trước cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω 82 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B13 Dòng áp trước cố cố ngắn mạch N(1,1) ngược hướng 30km, R= 0Ω Hình B14 Tín hiệu trước cố ngắn mạch N(1,1) ngược hướng 30km, R= 0Ω 83 Lê Sỹ Dũng Luận văn cao học Hình B15 Dòng áp trước cố cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω Hình B16 Tín hiệu trước cố ngắn mạch pha ngược hướng 30km, R= 0Ω 84 ... khoảng ÷ ● Kat : hệ số an toàn, thường lấy khoảng 1,1 (với rơ le tĩnh rơ le số) đến 1,2 (với rơ le điện cơ) ● Ktv : hệ số trở về, với rơ le điện Ktv = 0,85 ÷ 0,9 với rơ le tĩnh rơ le số Ktv ≈1 ● INmin... dụng công cụ Matlab/Simulink để mô rơ le bảo vệ kỹ thuật số nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic bảo vệ dòng có hướng thực tính toán trường hợp cố để mô bảo vệ dòng có hướng Matlab/Simulink... tải bảo vệ bảo vệ so lệch 1.3 Bảo vệ dòng điện 1.3.1 Nguyên lý bảo vệ dòng Bảo vệ dòng điện loại bảo vệ tác động dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng giá trị định trước Có thể đảm bảo khả