1. Phân tích hiện trường
1.1 Các vấn đề chính mà đường dây mạng phân phối phải đối mặt
Các mạng phân phối điện áp trung bình truyền thống thường áp dụng cấu trúc tô pô dạng cây tỏa nhánh, trong đó dòng công suất chảy một chiều trong mạng trong quá trình vận hành bình thường. Cùng với việc xây dựng lưới điện thông minh, mạng phân phối được hình thành với cấu trúc tô pô dạng vòng, đường dây hỗn hợp cáp treo và cáp ngầm nhiều nhánh, và cấu trúc tô pô mạng phân phối phức tạp hiện đại chứa các nguồn điện phân tán. Cấu trúc tô pô đa nhánh, hỗn hợp, dạng vòng và các nguồn điện đa phân tán của mạng phân phối làm thay đổi đặc tính truyền sóng chạy của sự cố, tăng độ khó của việc trích xuất đặc trưng sự cố và tính bất định của dòng năng lượng. Việc tái cấu trúc cấu trúc tô pô mạng sự cố thay đổi động, điều này mang lại những thách thức lớn cho việc giám sát trạng thái sự cố của mạng phân phối. Hiện tại, các vấn đề chính mà đường dây mạng phân phối phải đối mặt như sau:
- Phát triển tụt hậu và mất cân đối
Trong những năm gần đây, việc xây dựng mạng phân phối đã nhận được sự quan tâm rộng rãi và nguồn vốn đầu tư tiếp tục tăng. Tuy nhiên, do thiếu vốn đầu tư ban đầu và một lượng lớn nợ lịch sử, sự phát triển của mạng phân phối, đặc biệt là mạng phân phối điện áp trung bình, vẫn còn tụt hậu so với mạng truyền tải. Vấn đề phát triển mất cân đối giữa khu vực thành thị và nông thôn, cũng như giữa lưới điện miền đông và miền trung tây, vẫn còn nổi cộm. Mạng phân phối hiện tại đang gặp phải các vấn đề về phát triển tụt hậu và mất cân đối, độ tin cậy cung cấp điện vẫn còn tụt hậu so với trình độ tiên tiến quốc tế, khiến việc đáp ứng nhu cầu phục vụ phát triển kinh tế gặp nhiều khó khăn.
- Khả năng liên kết thấp và cấu trúc mạng yếu,
Cấu trúc lưới điện cấp điện áp 10 kV vẫn còn yếu. Gần một nửa số đường dây 10 kV chưa được liên kết, và tỷ lệ liên kết mạng nông thôn chỉ bằng một phần ba so với mạng thành thị, cho thấy khả năng liên kết kém.
- Thiếu thiết bị đầu cuối và nền tảng quản lý, mức độ tự động hóa thấp
Mức độ tự động hóa phân phối còn tương đối thấp và vẫn đang trong giai đoạn sơ khai. Việc chẩn đoán, cách ly và khôi phục sự cố mất nhiều thời gian, khiến việc đạt được tái cấu trúc mạng và tự phục hồi trở nên khó khăn. Điều này thể hiện qua khả năng cung cấp điện hỗ trợ lẫn nhau kém, cảm nhận trực quan là thời gian khôi phục cung cấp điện kéo dài.
- Cô lập dữ liệu cơ bản và phương pháp công nghệ thông tin lạc hậu
Quản lý mạng phân phối liên quan đến các bộ phận khác nhau như phát triển, điện nông thôn, vận hành và kiểm tra, tiếp thị và điều độ, với dữ liệu cơ bản phân tán trên các hệ thống khác nhau. Các chuẩn dữ liệu và mô hình giữa các hệ thống không nhất quán, ngoài ra còn thiếu cơ chế chia sẻ dữ liệu. Mức độ đầu tư và xây dựng mạng phân phối thấp đã dẫn đến sự tụt hậu tương đối trong phát triển hệ thống thông tin và truyền thông, cũng như thiếu các kênh thu thập thông tin. Điều này thể hiện qua việc quản lý tinh gọn kém, dữ liệu, đồ họa và thông tin không thể tương ứng với nhau.
- Chiến lược bảo vệ có nhược điểm và gây ra rủi ro an toàn đáng kể
Khi xảy ra sự cố chạm đất điện trở cao trong mạng phân phối, nó vận hành trong trạng thái "tổn thương". Ví dụ, sự cố chạm đất một pha dễ dàng gây điện giật cho nhân viên hoặc gia cầm, gây hại cho người và gia súc; Mạng phân phối điện đã trải qua các sự cố cháy rừng, sự cố chạm đất điện trở cao khó nhận biết, và bảo vệ rơ le không cắt, gây ra các nguy cơ mất an toàn.
Các vấn đề kỹ thuật và thách thức ảnh hưởng đến vận hành an toàn và ổn định của mạng phân phối cần dựa vào các hệ thống tự động hóa phân phối cấp cao để giải quyết. Hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối là một thành phần quan trọng của hệ thống tự động hóa phân phối, thực hiện cảnh báo các trạng thái bất thường của đường dây phân phối, xác định vị trí sự cố chính xác, nhận dạng loại sự cố, bảo vệ tại hiện trường, v.v., cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc loại bỏ sự cố nhanh chóng và khôi phục tự động của tự động hóa phân phối.
1.2 Giải pháp cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trong đường dây mạng phân phối
Xác định vị trí sự cố trong mạng phân phối, với tư cách là một chức năng quan trọng để đảm bảo cung cấp điện tin cậy và chất lượng cao, là trọng tâm nghiên cứu trong công nghệ tự động hóa mạng phân phối. Theo thống kê từ các bộ phận liên quan của lưới điện, 80% hoặc hơn các sự cố mất điện trong lưới điện là do sự cố trong mạng phân phối. Để nâng cao mức độ tự động hóa của mạng phân phối và xây dựng mạng phân phối thông minh, vẫn cần tiến hành nghiên cứu và ứng dụng về tối ưu hóa liên tục trạng thái bình thường của mạng phân phối và định vị nhanh chóng các điểm sự cố. Chìa khóa để giải quyết việc tối ưu hóa liên tục trạng thái bình thường của mạng phân phối và định vị nhanh chóng các trạng thái sự cố là đạt được giám sát tự động mạng phân phối, đạt được định vị sự cố chính xác và cảnh báo sự cố bất thường của mạng phân phối. Đây là một phần quan trọng trong việc xây dựng mạng phân phối thông minh trong lưới điện thông minh, phù hợp với nhu cầu của các chiến lược lớn quốc gia, và có ý nghĩa to lớn trong việc thúc đẩy điều chỉnh chiến lược cơ cấu ngành lưới điện, giải quyết các nút thắt chính trong phát triển Internet vạn vật điện lực và nâng cao chất lượng cung cấp điện.
Hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối là một phần quan trọng của hệ thống tự động hóa phân phối. Hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối dựa trên trí tuệ nhân tạo và điện toán biên có các chức năng cảnh báo sớm trạng thái bất thường, xác định vị trí sự cố chính xác, v.v., có thể tăng cường hiệu quả tính ổn định của mạng phân phối, đẩy nhanh tốc độ cách ly sự cố, rút ngắn thời gian khôi phục sự cố và cải thiện tính liên tục của nguồn điện. Đồng thời, hệ thống có thể đạt được duyệt web, thông báo SMS di động và hướng dẫn kiểm tra và khắc phục sự cố.
2. Thiết kế giải pháp tổng thể
2.1 Nguyên lý định vị sóng chạy sự cố cho đường dây mạng phân phối
Xác định vị trí sự cố của đường dây mạng phân phối dựa trên công nghệ định vị sóng chạy. Nguyên lý cơ bản được thể hiện ở Hình 2.1. Phương pháp định vị sóng chạy hai đầu được sử dụng để tính toán vị trí chính xác của điểm sự cố dựa trên chênh lệch thời gian giữa các sóng chạy đi qua các điểm giám sát liền kề đối với các sự cố và nguy cơ tiềm ẩn trong đường dây phân phối; Thuật toán trạm chính có thể hình thành cấu trúc tô pô mạng dựa trên thông tin đường dây lắp đặt của từng điểm giám sát, tạo thành phương pháp đo khoảng cách sóng chạy sự cố dạng mạng. Kết quả định vị của từng điểm giám sát được xác minh và khớp lẫn nhau, đảm bảo hiệu quả và chính xác độ chính xác của kết quả đo khoảng cách sự cố. Đồng thời, hệ thống cũng có thể thực hiện cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn cho các đường dây phân phối, với độ chính xác định vị sự cố lên đến 150m, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho công tác vận hành và bảo trì, đồng thời nâng cao khả năng tự phục hồi của nguồn điện đường dây phân phối.
Trong đó, L1 và L2 là khoảng cách từ điểm sự cố đến các điểm giám sát 1 và 2, L là khoảng cách giữa hai điểm giám sát, T1 và T2 là thời điểm các điểm giám sát 1 và 2 phát hiện sóng chạy, và v là tốc độ của sóng chạy.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý định vị sóng chạy hai đầu
2.2 Mô tả sản phẩm của phương án thiết kế
Phương án thiết kế cho cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn và định vị sự cố đường dây phân phối bao gồm máy cắt điện lắp trên cột - loại đo khoảng cách sự cố, thiết bị đo khoảng cách sóng chạy mạng phân phối bên ngoài, thiết bị đầu cuối đo khoảng cách sóng chạy máy biến áp phân phối và thiết bị giám sát trực tuyến sự cố đường dây phân phối phân tán. Cấu hình lắp đặt thiết bị được thể hiện trong Hình 2.2.
Hình 2.2 Sơ đồ cấu hình sản phẩm cho phương án đề xuất
- Thiết bị định vị sự cố đường dây phân phối
Phương pháp ứng dụng bên ngoài của mô-đun đo khoảng cách sóng chạy trong mạng phân phối được sử dụng để cải tạo tồn đọng các đường dây phân phối hiện có. Nó được lắp đặt giữa máy cắt điện đường dây ban đầu và FTU, và được kết nối thông qua cáp cắm hàng không để lắp đặt khi đang mang điện. Thiết bị sử dụng cùng tín hiệu với mô-đun và tất cả các tín hiệu đầu vào đều được cách ly. Mô-đun định vị sóng chạy và bộ điều khiển FTU thu thập độc lập các đại lượng tín hiệu tương ứng, cách ly và xử lý chúng, không can thiệp vào nhau.
- Thiết bị đầu cuối định vị sự cố đường dây phân phối
Thiết bị đầu cuối định vị sự cố đường dây phân phối chủ yếu sử dụng nguyên lý định vị sóng chạy hai đầu làm phương pháp định vị sự cố. Thiết bị được lắp đặt ở phía thứ cấp của máy biến áp phân phối của đường dây phân phối và trích xuất tín hiệu sóng chạy truyền từ phía sơ cấp 10kV sang phía hạ áp khi xảy ra sự cố đường dây 10kV trên đường dây 400V ở phía hạ áp của máy biến áp phân phối. Giải quyết toàn diện vấn đề điểm mù của giám sát sóng chạy tại cuối các sự cố nhánh đường dây.
- Thiết bị giám sát sự cố phân tán cho đường dây phân phối
Thiết bị được lắp đặt trực tiếp trên dây dẫn của đường dây phân phối, sử dụng nguồn cung cấp cảm ứng ghép nối & năng lượng mặt trời & nguồn cung cấp pin. Hoạt động bình thường của thiết bị yêu cầu tải đường dây đạt 5A. Nó chủ yếu được sử dụng làm phương án dự phòng cho giải pháp cuối cùng và được áp dụng trong các tình huống có ít máy cắt điện hoặc quá nhiều nhánh cần lắp đặt các điểm giám sát.
- Máy cắt điện cột - loại đo khoảng cách sự cố
Loại đo khoảng cách sự cố lắp đặt mô-đun đo khoảng cách sóng chạy trong FTU, bổ sung chức năng định vị sự cố chính xác cho chức năng cách ly sự cố máy cắt điện truyền thống. Mô-đun sử dụng tín hiệu thứ cấp của máy cắt điện và có thể thu thập thông tin tần số công suất ba pha, dòng điện sóng chạy, điện áp sóng chạy, tín hiệu 3U0, tín hiệu 3I0, v.v. Nó có thể được điều chỉnh linh hoạt theo loại máy biến áp của máy cắt điện, cho dù là điện từ hay điện tử. Mô-đun đo khoảng cách sóng chạy có thể thích ứng với nhiều loại FTU khác nhau, bao gồm FTU loại hộp, loại chụp và loại tích hợp sâu. Mô-đun đo khoảng cách sóng chạy đã được phối hợp ứng dụng tại hiện trường với nhiều nhà sản xuất máy cắt điện.
2.3 Phương án thiết kế tổng thể cho hệ thống định vị sự cố đường dây mạng phân phối
Hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối bao gồm ba phần: tầng thực thi giám sát trạng thái, tầng phân tích dữ liệu và tầng đánh giá hệ thống. Kiến trúc tổng thể được thể hiện trong Hình 2.3. trong đó
Tầng giám sát trạng thái bao gồm các thiết bị thu thập thông tin (như cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, cảm biến rung, cảm biến nhiệt độ, thu thập hình ảnh, cảm biến môi trường, cảm biến trạng thái công tắc, truyền thông có dây và không dây, v.v.), thiết bị xuất trạng thái (như máy cắt điện, công tắc phụ tải, chỉ thị cảnh báo, v.v.), để đạt được việc thu thập và truyền thông thông tin đa nguồn theo thời gian thực, trực tuyến và độ chính xác cao;
Tầng phân tích dữ liệu, bao gồm cảnh báo sớm hoặc báo động phân tích sự kiện sự cố, dựa trên điện toán biên và điện toán thông minh để thực hiện giám sát thời gian thực và định vị đáng tin cậy, chính xác trạng thái cục bộ và diện rộng của hệ thống;
Tầng đánh giá hệ thống bao gồm đơn vị nhận dạng cấu trúc, đơn vị tái cấu trúc mạng, đơn vị kiểm tra sự cố thông minh, đơn vị nhận dạng loại sự cố, đơn vị dự đoán trạng thái bất thường, đơn vị đánh giá tính dễ bị tổn thương và đơn vị xây dựng thư viện trường hợp kinh nghiệm. Dựa trên phân tích toàn diện, nó thực hiện cảnh báo trạng thái bất thường và tự phát hiện sự cố tiềm ẩn của hệ thống điều khiển và bảo vệ.
Hình 2.3 Sơ đồ kiến trúc của hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối
Đặc điểm kỹ thuật của giải pháp hệ thống:
- Phương pháp nhận dạng loại sự cố và trích xuất đặc trưng sự cố trong mạng phân phối
Dựa trên thông tin công tắc, thông tin 3U0, thông tin điện tần số công nghiệp, tệp ghi dòng điện và điện áp sự cố tần số công nghiệp, tệp ghi dòng điện sự cố tần số cao, thông tin sóng chạy phần cứng và các thông tin khác của đường dây phân phối, các phương pháp trí tuệ nhân tạo được sử dụng để trích xuất đặc trưng sự cố mạng phân phối, cung cấp cơ sở tính toán hiệu quả cho cảnh báo trạng thái bất thường mạng phân phối và định vị sự cố chính xác; Nghiên cứu đặc điểm dạng sóng của ô nhiễm, cây cối xâm lấn, đóng băng, vật thể bay lơ lửng, đứt dây, sự cố tiếp địa điện trở cao hoặc trạng thái bất thường của sứ mạng phân phối, hình thành thư viện dấu vân tay đặc trưng dạng sóng bất thường, trích xuất các yếu tố đặc trưng sự cố và sử dụng khớp tương đồng yếu tố đặc trưng để nhận dạng trạng thái bất thường của đường dây phân phối.
- Phương pháp định vị sự cố diện rộng dựa trên mạng phân phối
Tái cấu trúc cấu trúc liên kết mạng từ các đường dây cáp treo hỗn hợp, đường dây nhiều nhánh và đường dây mạng phân phối có cấu trúc liên kết biến đổi, và sử dụng các phương pháp định vị mạng diện rộng để đạt được phương pháp đo khoảng cách diện rộng và tối ưu hóa toàn diện cho mạng phân phối.
- Giám sát và cảnh báo trực tuyến các nguy cơ tiềm ẩn
Các nguy cơ tiềm ẩn do khoảng cách cách điện không đủ, chẳng hạn như cây cối xâm lấn, hư hỏng do chim, vật thể bay lơ lửng, ô nhiễm sứ và đóng băng, đều sẽ tạo ra các tín hiệu sóng chạy yếu trước khi xảy ra phóng điện. Tín hiệu sóng chạy được truyền dọc theo dây dẫn đến hai đầu, giám sát và phân tích các tín hiệu sóng chạy yếu trên đường dây thu thập để đạt được định vị hai đầu và cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trong đường dây thu thập.
3. Đề xuất Thiết kế Truyền thông Dữ liệu và Hệ thống
Thiết bị giám sát sự cố phân tán, thiết bị xác định vị trí sự cố và thiết bị đầu cuối xác định vị trí sự cố cho đường dây phân phối đều sử dụng thẻ APN do công ty điện lực chỉ định và phương thức truyền thông không dây 4G hoặc 5G.
Khuyến nghị xây dựng hệ thống chẩn đoán sự cố mạng phân phối tại cục điện lực thành phố. Hệ thống có thể được triển khai độc lập trên các máy chủ hoặc nền tảng trạm chính đám mây mạng phân phối, và có thể kết nối với nền tảng quản lý tài sản thông qua các giao thức truyền thông như MQTT và HTTP để thu thập dữ liệu, đạt được khả năng chẩn đoán sự cố mạng phân phối trên toàn thành phố. Hệ thống có thể được tích hợp với hệ thống tự động hóa mạng phân phối.
4. Nguyên tắc chọn điểm lắp đặt
Hiệu quả của các sản phẩm định vị sóng chạy trên mạng phân phối tương đối thấp so với đường dây truyền tải. Mức điện áp của đường dây phân phối thấp và biên độ tín hiệu sóng chạy sự cố cũng tương đối thấp. Hơn nữa, mỗi khi đi qua một điểm gián đoạn trở kháng sóng (như điểm tiếp xúc chữ T của đường dây, điểm nối giữa cáp và đường dây trên không), tín hiệu sóng chạy sẽ trải qua khúc xạ và phản xạ, và biên độ của tín hiệu sóng chạy sẽ giảm. Để đảm bảo tín hiệu sóng chạy sự cố có thể được thiết bị giám sát phát hiện khi truyền đến thiết bị giám sát, thiết bị giám sát thường tuân theo nguyên tắc khoảng cách lắp đặt từ 3-5km để chọn điểm và lắp đặt. Các yêu cầu cụ thể như sau:
- Khi các máy cắt tự động được lắp đặt trên đường dây xuất tuyến và tại điểm nối chữ T của đường dây, ưu tiên sử dụng thiết bị đầu cuối đo khoảng cách sóng chạy FTU. Thông thường, một bộ thiết bị định vị sóng chạy được lắp đặt gần máy cắt ở đầu và cuối đường dây, việc lắp đặt ở giữa đường dây phụ thuộc vào chiều dài đường dây và điều kiện của các đường dây nhánh. Nếu không có đường dây nhánh ở giữa, có thể lắp đặt một bộ với khoảng cách khoảng 5 km. Nếu có nhiều nhánh, nên lắp đặt một bộ với khoảng cách tối đa 3 nhánh (có thể bỏ qua các nhánh ngắn có chiều dài dưới 200 mét). Khi có nhiều đường dây nhánh ở giữa, khoảng cách giữa các thiết bị giám sát không được vượt quá 3 km.
- Chọn máy biến áp phân phối và lắp đặt thiết bị đầu cuối đo khoảng cách sóng chạy ở khoảng cách khoảng 1 km ở đầu và cuối các đường dây nhánh, khuyến nghị không quá 2 đường dây nhánh phụ trung gian.
- Khi có nhiều máy biến áp phân phối để lựa chọn gần cùng một điểm lắp đặt, cần ưu tiên chọn máy biến áp có công suất lớn hơn để lắp đặt thiết bị đầu cuối đo khoảng cách sóng chạy.
5. Phương án thiết kế chi tiết cho cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn và xác định vị trí sự cố đường dây phân phối
Sau đây là 5 đường dây phân phối làm tuyến thí điểm: như thể hiện trong các Hình 5.1-5.5.
Hình 5.1 Tuyến Thí điểm 1
Hình 5.2 Tuyến Thí điểm 2
Hình 5.3 Tuyến Thí điểm 3
Hình 5.4 Tuyến Thí điểm 4
Hình 5.5 Tuyến Thí điểm 5
Đăng nhập
