Làm thế nào bộ điều khiển máy cắt tự động đóng lại thực hiện định vị sự cố, cô lập và khôi phục cấp điện trên mạng phân phối?

Mục tiêu cốt lõi của việc xử lý sự cố lưới phân phối là cô lập sự cố và khôi phục nguồn điện trong thời gian ngắn nhất. Với tư cách là đơn vị thông minh cốt lõi của tự động hóa phân phối, bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại phối hợp hoạt động với các bộ phân đoạn, các máy cắt tự đóng lại khác hoặc hệ thống trạm chủ để đạt được vòng khép kín tự động hóa hoàn toàn từ "phát hiện sự cố → xác định tính chất → cô lập chính xác → khôi phục dịch vụ." Bài viết này phân tích có hệ thống vai trò cốt lõi và logic thực hiện của nó.

Bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại tiên tiến

I. Nền tảng cốt lõi: Khả năng "tự tích hợp" của bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại

Máy cắt tự đóng lại là thiết bị đóng cắt cao áp với các chức năng điều khiển và bảo vệ tự tích hợp. Bộ điều khiển của nó có thể độc lập hoàn thành việc phát hiện sự cố, cắt điện và các thao tác đóng lại nhiều lần mà không cần thiết bị bảo vệ rơ le độc lập bên ngoài.

Cần làm rõ rằng "tự tích hợp" không có nghĩa là hoàn toàn độc lập với sự hỗ trợ bên ngoài: các bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại hiện đại thường yêu cầu một máy biến điện áp bên ngoài (TV/PT) để cung cấp tín hiệu điện áp và nguồn vận hành. Một số model sử dụng nguồn lấy từ PT, pin, siêu tụ điện hoặc nguồn lấy từ TA làm nguồn vận hành, và chỉ không yêu cầu thêm thiết bị bảo vệ rơ le độc lập.

Các khả năng cốt lõi của nó bao gồm:

• Phát hiện sự cố và cắt điện: Tự động phát hiện dòng điện đường dây và, khi xác nhận có sự cố, ngắt dòng điện sự cố theo đặc tính bảo vệ nghịch đảo thời gian;

• Đóng lại nhiều lần: Thực hiện các thao tác đóng lại nhiều lần theo trình tự cài đặt trước (như "một nhanh, hai chậm", "hai nhanh, hai chậm", "một nhanh, ba chậm", v.v.) để phân biệt sự cố quá độ (như sét đánh hoặc cành cây chạm đường dây) với sự cố vĩnh viễn (như đứt dây dẫn hoặc đánh thủng cách điện);

• Khóa và đặt lại tự động: Tự động đặt lại sau khi đóng lại thành công đối với sự cố quá độ; sau khi hoàn thành số lần đóng lại đã định trước đối với sự cố vĩnh viễn, sẽ khóa ở trạng thái mở để cô lập đoạn bị sự cố.

Bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại | Bảo vệ ANSI C37.60 & DNP3.0

II. Điều kiện tiên quyết quan trọng: Ranh giới khả năng giữa máy cắt tự đóng lại và bộ phân đoạn

Sự phối hợp giữa máy cắt tự đóng lại và bộ phân đoạn (còn được gọi là công tắc phân đoạn) là nền tảng của tự động hóa lộ tuyến chế độ cục bộ (FA). Ranh giới khả năng giữa hai thiết bị này phải được phân biệt nghiêm ngặt:

• Máy cắt tự đóng lại: Có khả năng ngắt dòng điện ngắn mạch và có thể độc lập hoàn thành các thao tác xóa sự cố và đóng lại;

• Bộ phân đoạn: Chỉ có thể ngắt dòng điện phụ tải, không ngắt được dòng điện ngắn mạch. Nó dựa vào máy cắt tự đóng lại/máy cắt ở thượng nguồn để xóa sự cố, và chỉ chịu trách nhiệm cô lập đoạn bị sự cố.

Hiểu rõ ranh giới này là điều kiện tiên quyết để nắm vững logic xác định vị trí và cô lập sự cố tiếp theo.

III. Các chế độ phối hợp cốt lõi để xác định vị trí và cô lập sự cố

1. Loại Điện áp - Thời gian (Dựa vào phối hợp trình tự thời gian, không yêu cầu thông tin liên lạc)

Chế độ này tận dụng đặc tính của bộ phân đoạn là "mở khi mất điện áp và đóng trễ khi điện áp được khôi phục", phối hợp với thao tác đóng lại lần hai của máy cắt xuất tuyến trạm biến áp.

Các thông số chính:

• Thời gian X (độ trễ đóng): Phải lớn hơn thời gian cắt của máy cắt phía nguồn và phải nhỏ hơn độ trễ đóng lại lần hai. Thời gian X của các bộ phân đoạn phải tăng theo từng bậc để tránh đóng đồng thời. Các cài đặt điển hình là 7 giây, 14 giây, 21 giây, v.v. (công tắc phân đoạn: 5–7 giây; công tắc liên lạc: 12–18 giây), với độ chênh lệch bậc thường là 7 giây giữa các công tắc phân đoạn liền kề;

• Thời gian Y (thời gian khóa phát hiện sự cố): Phải nhỏ hơn độ trễ đóng lại lần hai của máy cắt tự đóng lại phía nguồn để đảm bảo việc xác định sự cố được hoàn tất trước khi đóng lại lần hai. Các cài đặt điển hình là 5 giây hoặc 10 giây.

Quy trình vận hành:

• Sự cố gây ra cắt điện, toàn bộ đường dây mất điện áp, và các bộ phân đoạn tự động mở;

• Máy đóng cắt tự động thực hiện đóng lại lần đầu (thời gian trễ đóng lại lần đầu của máy cắt xuất tuyến trạm biến áp thường là 15–20 giây, phải lớn hơn thời gian tích điện đóng lại), và các thiết bị phân đoạn đóng tuần tự có trễ theo số lần X của chúng;

• Sau khi thiết bị phân đoạn đóng, nếu phát hiện mất điện áp trở lại trong thời gian Y (tức là đóng vào điểm sự cố khiến máy cắt ngược dòng cắt), đoạn mà nó nằm được xác định là đoạn sự cố, và nó tự động khóa và không còn phản ứng với điện áp khôi phục để đóng; nếu điện áp được duy trì quá thời gian Y, đoạn đó được xác định là đoạn bình thường và vẫn đóng;

• Máy đóng cắt tự động thực hiện đóng lại lần thứ hai. Các đoạn không sự cố ở phía nguồn được khôi phục nguồn điện, trong khi đoạn sự cố vẫn mở do bị khóa. Các đoạn không sự cố ở phía phụ tải được khôi phục thông qua nguồn cấp chuyển tiếp từ máy cắt liên lạc.

Thời gian cách ly sự cố: Phụ thuộc vào cài đặt thời gian X/Y, thường từ 20–60 giây. Cần thực hiện nhiều thao tác đóng lại, gây ra nhiều xung dòng ngắn mạch lên hệ thống.

2. Loại đếm xung quá dòng (Dựa vào đếm dòng điện, không cần thông tin liên lạc)

Thiết bị phân đoạn ghi lại số lần máy đóng cắt tự động ngược dòng ngắt dòng sự cố, và tự động mở và khóa sau khi đạt đến giá trị cài đặt trước.

Quy trình vận hành (lấy ví dụ số lần đếm cài đặt trước là 2):

• Xảy ra sự cố, máy đóng cắt tự động cắt, và thiết bị phân đoạn ghi lại xung quá dòng 1 (chưa đạt giá trị cài đặt trước, vẫn đóng);

• Máy đóng cắt tự động thực hiện đóng lại lần đầu, đóng lại vào điểm sự cố và cắt, và số lần đếm của thiết bị phân đoạn đạt 2. Trong khoảng thời gian không có dòng điện (khi đường dây mất điện và dòng điện dưới 300 mA), thiết bị phân đoạn tự động mở và khóa, thường hoàn thành thao tác mở trong vòng 180 ms;

• Máy đóng cắt tự động thực hiện đóng lại lần thứ hai, thiết bị phân đoạn vẫn mở, đoạn sự cố được cách ly, và các đoạn lành lặn được khôi phục nguồn điện.

Nguyên tắc cài đặt số lần đếm: Giá trị số lần đếm cài đặt trước của thiết bị phân đoạn phải nhỏ hơn số thao tác đóng lại trước khi máy đóng cắt tự động khóa, đảm bảo rằng thiết bị phân đoạn hoàn thành việc mở và cách ly trước khi máy đóng cắt tự động khóa hoàn toàn.

Logic đặt lại số lần đếm: Nếu đóng lại thành công, số lần đếm của thiết bị phân đoạn phải được xóa để chuẩn bị cho sự cố tiếp theo.

3. Loại phân tán thông minh (Dựa vào thông tin liên lạc thiết bị cuối, phản hồi tốc độ cao)

Thông qua thông tin liên lạc sợi quang tốc độ cao (hoặc thông tin liên lạc độ trễ thấp như 5G) giữa các thiết bị cuối phân phối, thông tin sự cố được trao đổi và phán đoán logic tự chủ được thực hiện để cách ly khu vực sự cố trước khi máy cắt xuất tuyến trạm biến áp vận hành.

Ưu điểm cốt lõi: Định vị và cách ly chính xác một lần. Thời gian cách ly sự cố: Đối với loại FA phân tán tốc độ cao, thời gian cách ly máy cắt ngược dòng ≤ 200 ms, và thời gian khôi phục khu vực không sự cố ≤ 5 s; đối với loại tốc độ chậm, thời gian cách ly ≤ 5 s, và thời gian khôi phục ≤ 45 s (theo DL/T 1910-2018 "Thông số kỹ thuật về tự động hóa feeder phân tán của mạng phân phối"). Nó không phụ thuộc vào việc đóng lại của trạm biến áp và tránh được nhiều xung dòng ngắn mạch;
Hạn chế: Phụ thuộc vào thông tin liên lạc sợi quang hoặc 5G độ trễ thấp, dẫn đến chi phí cao hơn. Độ tin cậy bị ảnh hưởng bởi chất lượng thông tin liên lạc. Phù hợp cho các khu vực như quận trung tâm đô thị có yêu cầu cao về chất lượng điện năng.

4. Chế độ phối hợp Máy đóng cắt tự động + Máy đóng cắt tự động (Kịch bản vận hành mạng vòng hở)

Trong mạng phân phối vận hành dưới dạng mạng vòng hở, việc cách ly sự cố được thực hiện thông qua cài đặt phân bậc của thời gian trễ mở do mất điện áp và thời gian trễ đóng.

Logic vận hành: Máy đóng cắt tự động xuất tuyến, các máy đóng cắt tự động trung gian và máy đóng cắt tự động liên lạc phối hợp thông qua cài đặt thời gian trễ. Trong quá trình sự cố, máy đóng cắt tự động gần sự cố nhất cắt nhanh, trong khi các máy đóng cắt tự động xa sự cố hơn cắt sau một khoảng trễ. Máy đóng cắt tự động liên lạc, khi phát hiện mất điện áp ở một phía, sẽ đóng sau một khoảng trễ để khôi phục nguồn cấp chuyển tiếp cho các đoạn không sự cố.

Ưu điểm cốt lõi: So với chế độ "máy đóng cắt tự động + thiết bị phân đoạn", nó có thể giảm phạm vi mất điện ảnh hưởng đến các đoạn không sự cố, làm cho nó phù hợp với các kịch bản phức tạp có cấp điện mạng vòng.

IV. Logic thực hiện khôi phục dịch vụ

Khôi phục dịch vụ được chia thành hai loại: khôi phục tự động cho sự cố quá độ và khôi phục chuyển tiếp cho sự cố vĩnh viễn.

Sự cố quá độ: Sau khi máy đóng cắt tự động đóng lại thành công, đường dây trực tiếp khôi phục nguồn điện mà không cần thao tác bổ sung.

Sự cố vĩnh viễn: Sau khi đoạn sự cố được cách ly, các khu vực không sự cố được khôi phục theo các cách sau:

• Vùng không sự cố phía nguồn: Điện được khôi phục trực tiếp sau lần đóng lại thứ hai của máy cắt tự đóng lại;

• Vùng không sự cố phía phụ tải: Dao liên lạc phát hiện mất điện áp ở một phía và đóng sau một khoảng thời gian trễ (khoảng thời gian trễ phải lớn hơn thời gian cách ly sự cố để tránh đóng vào điểm sự cố), khôi phục cấp điện thông qua chuyển nguồn từ đường dây lân cận.

V. So sánh đặc tính kỹ thuật và các kịch bản ứng dụng

Là đơn vị thông minh cốt lõi để xử lý sự cố lưới phân phối, bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại phối hợp với thiết bị phân đoạn, các máy cắt tự đóng lại khác hoặc hệ thống trạm chủ để đạt được vòng khép kín hoàn toàn tự động từ "phát hiện sự cố → xác định tính chất → cách ly chính xác → khôi phục cấp điện." Cùng với sự phát triển của lưới phân phối thông minh, bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại đang được tích hợp sâu với các FTU và hệ thống trạm chủ, rút ngắn thời gian xử lý sự cố từ "cấp giờ" xuống "cấp phút" hoặc thậm chí "cấp giây", cải thiện đáng kể độ tin cậy cung cấp điện.

Trong tương lai, với việc tích hợp quy mô lớn các nguồn năng lượng phân tán, bộ điều khiển máy cắt tự đóng lại sẽ cần thích ứng với các chiến lược đóng lặp lại thích nghi phối hợp với phát điện phân tán để tránh rủi ro đóng cắt không đồng bộ. Đồng thời, bằng cách kết hợp truyền thông 5G, bản sao số và các công nghệ khác, khả năng tự phục hồi sự cố của lưới phân phối sẽ được nâng cao hơn nữa. Ngoài ra, FA tích hợp thích nghi có thể thực hiện lựa chọn và cách ly đoạn sự cố chạm đất thông qua các tiêu chí điện áp/dòng điện thứ tự không, bù đắp cho nhược điểm là FA điện áp-thời gian truyền thống không có khả năng xử lý sự cố chạm đất.

Biên tập từ: Garca