Nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách trên đường dây truyền tải điện năng

ch trên Matlab/ Simulink để thu thập kết 
quả và phân tích sự hoạt động của rơle bảo vệ khoảng cách khi có TCSC.
1 1 1
2 2 2
3 3 3
80% 0,8( )
0,2( )
0,4( )
AB AB AB
AB AB BC BC
AB AB BC BC
Z R jX Z R jX
Z R jX R jX R jX
Z R jX R jX R jX
= + = = +
= + = + + +
= + = + + +
( )
( ) ( )
( ) ( )
1
2
3
0,8
0,2
0,4
AB AB TCSC
AB AB TCSC BC BC
AB AB TCSC BC BC
Z R jX jX
Z R jX jX R jX
Z R jX jX R jX
= ⎡ + + α ⎤⎣ ⎦
= + + α + +
= + + α + +
Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng
15
 Tập 13, Số 1, 2019
2. Nguyên lý làm việc của TCSC
2.1. Cấu tạo của TCSC
Thiết bị TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong 
điều kiện ổn định của hệ thống điện, nó có các chức năng cơ bản bao gồm: Giảm dao động điện 
áp; tăng khả năng truyền tải đường dây bằng cách bù CSPK;... TCSC gồm một tụ điện C có giá 
trị không đổi mắc song song với một điện cảm L được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở van 
thyristor như hình 2(a). Giá trị góc mở thay đổi giữa 900 < α < 1800 thì TCSC có thể được mô tả 
như sơ đồ thay thế hình 2(b).
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của TCSC
Khi thay đổi góc mở của thyristor ta có thể thay đổi được dòng điện chạy qua tụ điện, từ đó 
thay đổi được dung kháng của thiết bị TCSC và được xác định theo công thức sau:
Góc dẫn δ là một phần của chu kỳ trong đó mỗi van thyristor đang ở trạng thái dẫn và góc 
mở α là thời gian thể hiện bằng phép đo góc điện (từ lúc điện áp tụ là 0 đi qua đến lúc bắt đầu 
của dòng dẫn đi qua van thyristor). Đường đặc tính của XTCSC là một hàm của góc mở α được 
chia thành 3 vùng khác nhau là cảm kháng, dung kháng và cộng hưởng được thể hiện ở hình 3. 
TCSC có 3 chế độ làm việc [7] bao gồm: Chế độ thyristor khóa, chế độ capacitor nối tắt và chế 
độ vernier.
(a) Sơ đồ cấu trúc (b) Sơ đồ thay thế
 > @( ) 1TCSC CX X A BD    (3) 
Trong ÿó:
2
2
sin( )
1
KA
K
G  G§ · ¨ ¸ S© ¹
 (4) 
2
2
2
tan tan
4 2 2cos
1 2
KK
KB
K
ª ºG G§ · § ·¨ ¸ ¨ ¸« »G§ · © ¹ © ¹« » ¨ ¸ S« »© ¹
« »¬ ¼
 (5) 
  2G S D (6) 
2
K
f
O 
S
; 
(7) 
 1
LC
O (8) 
16
Hình 3. Đường cong đặc tính của TCSC
2.2. Cách tính chọn thông số của TCSC
Các thông số của TCSC được lựa chọn phụ thuộc theo hệ số bù k, ví dụ: k = 0,75 thì ta có 
thể xác định các thông số của TCSC như sau:
 (9)
 Trong đó: XAB là điện kháng của cả đường dây AB được bảo vệ.
 Giá trị điện dung của TCSC là:
 (10)
Giá trị của điện kháng TCR phụ thuộc vào yêu cầu của phạm vi hoạt động của TCSC. Bình 
thường XL/XC cho mục đích thực tế nên nằm trong khoảng từ 0,1 ÷ 0,3. Do đó ta chọn XL/XC = 0,25. 
Từ đó ta xác định được điện cảm của TCSC là:
 (11)
 Trong đó: f là tần số của dòng điện.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách
3.1. Mô tả đối tượng nghiên cứu
Giả sử xét hệ thống điện đơn giản như hình 4 gồm có 2 nguồn phát, đường dây 500 kV có 
hai nguồn cung cấp ở 2 đầu đường dây, nó được bảo vệ bằng 2 rơle bảo vệ khoảng cách đặt ở 2 đầu 
của nó và bộ bù dọc TCSC được đặt ở đầu đường dây. Các thông số của các phần tử trong sơ đồ 
được thể hiện như trong bảng 1. Ở chế độ xác lập ban đầu nguồn A được giả định như là nguồn PV 
đang phát công suất 200 MW về phía nguồn B và giữ vai trò là nút điều khiển điện áp, còn nguồn 
B giữ vai trò là nút cân bằng có điện áp và góc pha tham chiếu. Đường dây có chiều dài 200 km 
được khảo sát sẽ xảy ra sự cố ngắn mạch tại các vị trí khác nhau để nghiên cứu sự ảnh hưởng của 
các thông số của TCSC đến việc xác định tổng trở đo và vị trí sự cố của rơle bảo vệ khoảng cách 
ở đầu A. Tín hiệu dòng điện và điện áp đo được từ các TI, TU sẽ đưa về rơle bảo vệ khoảng cách 
0,75C ABX X=
2
LXL
f
= π
1
2 C
C
fX
= π
Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng
17
 Tập 13, Số 1, 2019
và từ thông số dòng điện và điện áp đó sẽ tính ra được tổng trở đo cũng như vị trí ngắn mạch tính 
từ vị trí đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch.
Hình 4. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản
Các thông số của TCSC trên đường dây này phụ thuộc vào hệ số bù k, bài báo này giả sử hệ 
số bù của TCSC là k = 0,75; theo phần lựa chọn tính toán các thông số ta đã chọn tỷ số XL/XC = 0,25 
từ đó ta tính được giá trị điện kháng XTCSC theo góc mở α như sau:
Bảng 1. Thông số của hệ thống điện đơn giản
Stt Phần tử Thông số
1 Nguồn A Điện áp: U = 500 (kV)
Công suất ngắn mạch: SN = 8000 (MVA)
Tỷ số: X/R = 10
Nút PV: P = 200 MW
2 Nguồn B Điện áp: U = 500 (kV)
Công suất ngắn mạch: SN = 10000 (MVA)
Tỷ số: X/R = 10
Nút cân bằng
3 Đường dây Chiều dài: L = 200 (km)
Tổng trở thứ tự không và thứ tự thuận:
z0 = 0,3864 + j1,2963 (Ω/km)
z1 = 0,01273 + j0,32798 (Ω/km)
Từ các thông số của mô hình hệ thống điện như trên ta tính toán được giá trị điện kháng 
XTCSC theo các giá trị góc mở α khác nhau và xây dựng được đặc tính dung kháng của TCSC như 
trong hình 5. Trên hình 5, đường đặc tính màu đỏ nằm ở góc phần tư phía trên bên trái là giá trị 
điện kháng TCSC làm việc ở chế độ cảm kháng ứng với góc mở α từ 900 đến 1300, ở chế độ này 
TCSC là điện kháng có tính cảm nên điện kháng XTCSC > 0. Còn đường đặc tính màu xanh nằm ở 
0,75. 0,7 58,5. 4 ( )67 4C ABX X : ; 
61 1 0,723.10 (F)
2 .50. 2 .50.44C
C
X
 
S S
0,25. 0,25.44 11 ( )L CX X : ; 
11 0,035 (H)
2 2 .50
LXL
f
S S
6
1 1 628,32
0,035.0,723.10LC 
O ; 628,32 2
2 .50
K O 
Z S 
18
góc phần tư phía dưới bên phải là giá trị điện kháng TCSC làm việc ở chế độ dung kháng ứng với 
góc mở α từ 1400 đến 1800, ở chế độ này TCSC là điện kháng có tính dung nên XTCSC < 0, tương 
ứng với chế độ bù dọc. Rõ ràng phạm vi góc mở của thyristor từ 1300 đến 1400 tương ứng với chế 
độ cộng hưởng của TCSC. Như vậy kết quả đặc tính này giúp ta có thể lựa chọn được góc mở α 
phù hợp cho các chế độ vận hành của TCSC mong muốn.
Hình 5. Đặc tính dung kháng của TCSC theo góc mở thyristor
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/ Simulink
Để thuận tiện cho việc kiểm tra cũng như phân tích ảnh hưởng của TCSC khi có ngắn mạch 
xảy ra, tác giả đã xây dựng một mô hình mô phỏng hoạt động của rơle bảo vệ khoảng cách trên 
phần mềm Matlab/Simulink như trong hình 6. Tín hiệu điện áp, dòng điện pha A sau khi qua các khối 
phân tích Fourier rời rạc sẽ là các giá trị biên độ và góc pha của điện áp và dòng điện pha A. Từ đó sẽ 
xác định được tổng trở đo tại vị trí đặt rơle ở đầu đường dây. Tất cả những thông số trên được lưu vào 
workspace của Matlab sau mỗi lần mô phỏng sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây. Từ kết quả đó, 
tổng trở đo được tại mỗi vị trí đặt rơle sẽ được tính toán và để so sánh giữa hai trường hợp có và không 
có đặt TCSC trên đường dây.
Hình 6. Mô hình mô phỏng hệ thống khi có TCSC trên Simulink
Trong hình 6, khối Three-phase source A and Three-phase source B là các khối nguồn 3 pha 
ở hai đầu đường dây truyền tải tại thanh cái A và B. Đường dây truyền tải ba pha được mô hình 
dưới dạng sơ đồ hình π được chia thành hai đoạn Three-Phase PI Section Line 1 và Three-Phase 
Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng
19
 Tập 13, Số 1, 2019
PI Section Line 2. Khối Three-Phase Series RLC Branch mô tả cho thiết bị TCSC mà trong đó 
giá trị dung kháng có thể điều chỉnh được theo góc mở α. Các dạng ngắn mạch được giả lập bằng 
khối Three-Phase Fault nối vào điểm giữa hai đoạn đường dây. Điện áp và dòng điện tại thanh 
cái A được đo lường bởi khối đo áp và dòng. Sau đó tín hiệu điện áp và dòng điện tại thanh cái A 
sẽ được đưa qua khối Fourier để thực hiện việc xử lý tín hiệu và tính toán điện áp và dòng điện ở 
tần số cơ bản đưa đến các khối biên độ điện áp vm, góc pha điện áp delta, biên độ dòng điện im 
và góc pha dòng điện theta. Tổng trở được tính bằng thương số giữa biên độ điện áp và biên độ 
dòng điện, sau đó đưa giá trị đó đến khối Z.
 Giả sử ngắn mạch ba pha trực tiếp bắt đầu tại thời điểm 0,2 s xảy ra tại vị trí chính giữa 
đường dây trong trường hợp có và không có TCSC đặt nối tiếp vào đường dây, tín hiệu dạng sóng 
điện áp và dòng điện pha A ở vị trí rơle đầu đường dây được thu thập để phân tích tính toán tổng 
trở đo tại vị trí rơle đó. Các đồ thị dạng sóng điện áp, dòng điện pha A được thể hiện như trong 
hình 7 và hình 8. Ở chế độ xác lập trước sự cố ứng với khoảng thời gian từ 0 đến 0,2 s thì điện áp 
và dòng điện pha A đều bình thường. Nhưng khi tại thời điểm t = 0,2 s bắt đầu xảy ra ngắn mạch 
thì điện áp và dòng điện bắt đầu thay đổi như trong hình 7 (đối với trường hợp không có TCSC) và 
hình 8 (đối với trường hợp có TCSC với hệ số bù k = 0,75 và góc mở α = 1800). Rõ ràng kết quả 
mô phỏng trên hình 7 và hình 8 cho thấy rằng vì có TCSC mắc nối tiếp vào đường dây nên đã làm 
ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đo được bởi rơle, cụ thể điện áp và dòng điện dao động nhiều 
hơn trong khoảng thời gian quá độ, biên độ dòng điện ngắn mạch cũng tăng lên so với trường hợp 
không có TCSC. Chính vì điều này sẽ làm ảnh hưởng đến tổng trở quá độ đo được bởi rơle và ảnh 
hưởng đến khả năng xác định vị trí sự cố của rơle sẽ được nghiên cứu trong các nội dung tiếp sau.
Hình 7. Điện áp và dòng điện pha A ngắn mạch ba pha giữa đường dây khi không có TCSC
20
Hình 8. Điện áp và dòng điện pha A ngắn mạch ba pha giữa đường dây khi có TCSC
 Từ kết quả của hai trường hợp có và không có TCSC đã được mô phỏng và trình bày ở 
trên, kết quả tổng trở đo được tại vị trí đặt rơle được thu thập và phân tích. Hình 9 thể hiện tổng 
trở đo được tại ví trí đặt rơ le khi không có và có TCSC (ứng với hệ số bù k = 0,75 và góc mở 
α = 1800). Hình 9 cho thấy rằng trong giai đoạn từ 0 đến 0,2 s là chế độ xác lập trước sự cố nên 
tổng trở đo được phụ thuộc vào thông số chế độ xác lập trước sự cố, tức là phụ thuộc vào điện 
áp nguồn và công suất tải truyền trên đường dây (giả định 200 MW được truyền từ nguồn A đến 
nguồn B). Tổng trở này có giá trị khá lớn nên được zoom trong phạm vi từ 0 đến 0,2 s như phần 
bên trái của hình 9. Bắt đầu tại thời điểm 0,2 s ngắn mạch xảy ra nên tổng trở đo được tại rơle diễn 
ra quá trình quá độ và giảm mạnh đáng kể như phần bên phải của hình 9. Qua đó cho thấy TCSC 
không những làm ảnh hưởng đến tổng trở đo trong giai đoạn quá độ mà còn làm thay đổi trong 
giai đoạn xác lập sau sự cố. Điều này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình làm việc của rơle bảo 
vệ khoảng cách trên đường dây.
Hình 9. Tổng trở đo khi ngắn mạch ba pha giữa đường dây
Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng
21
 Tập 13, Số 1, 2019
Trong các kết quả sau đây, tác giả lần lượt khảo sát sự cố ngắn mạch 3 pha trực tiếp xảy ra 
tại các vị trí khác nhau trên đường dây chẳng hạn như ở vị trí 0, 20, 40, 60 km, tính từ vị trí đặt 
rơle đến điểm ngắn mạch. Khi đó, các kết quả dòng điện và điện áp được tính toán dưới dạng biên 
độ và góc pha thông qua các biến đổi Fourier rời rạc và giá trị tổng trở đo tại vị trí đặt rơle được 
thể hiện trong các bảng 2. Kết quả mô phỏng trong bảng 2 cũng đã cho thấy các thông số TCSC 
chẳng hạn như hệ số bù và góc mở thyristor của TCSC đã ảnh hưởng đến rơle bảo vệ khoảng cách. 
Bảng 2 là kết quả tính toán các giá trị điện áp, dòng điện và tổng trở khi xảy ra ngắn mạch 3 pha 
trên đường dây trong hai trường hợp có và không có TCSC. Tuy nhiên giá trị góc mở α của TCSC 
được giả sử ở một giá trị cố định để khảo sát sự thay đổi của tổng trở đo được của rơle. Từ kết 
quả cho thấy tổng trở đo của rơle khi có TCSC bị thay đổi rõ rệt, do đó chúng ta cần đưa ra những 
giải pháp nhằm ngăn chặn ảnh hưởng này để nâng cao tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách.
Bảng 2. Kết quả điện áp, dòng điện và tổng trở đo tại rơle 
khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây
Vị trí
(km)
Không có TCSC Có TCSC
UA
(V)
δA
(độ)
IA
(A)
φA
(độ)
Z
đo
(Ω)
UA
(V)
δA
(độ)
IA
(A)
φA
(độ)
Z
đo
(Ω)
0 12.63 -90.92 9208.90 -92.04 0.00 969496.18 -21.53 22034.63 68.47 44.00
20 45575.03 -5.05 7759.73 -92.55 5.87 1438626.69 -33.54 37727.65 56.08 38.13
40 78778.94 -5.41 6703.46 -92.92 11.75 2473250.74 -81.36 76661.50 7.73 32.26
60 104065.17 -5.69 5898.80 -93.20 17.64 1222946.04 -147.50 46350.58 -59.16 26.38
80 123979.44 -5.92 5264.92 -93.42 23.55 513305.36 -163.83 25041.56 -76.69 20.50
100 140082.20 -6.10 4752.27 -93.60 29.48 244525.52 -167.93 16742.78 -82.97 14.60
120 153383.15 -6.25 4328.74 -93.74 35.43 109308.56 -165.90 12506.50 -86.10 8.74
140 164564.47 -6.37 3972.65 -93.87 41.42 31631.58 -143.32 9953.19 -87.99 3.18
160 174103.58 -6.48 3668.83 -93.97 47.45 32996.43 -30.52 8250.23 -89.22 4.00
180 182344.67 -6.58 3406.32 -94.05 53.53 68796.30 -14.02 7035.58 -90.10 9.78
200 189542.08 -6.66 3177.03 -94.13 59.66 96993.43 -10.30 6125.29 -90.76 15.83
4. Kết luận
Từ cơ sở lý thuyết của thiết bị TCSC và rơle bảo vệ khoảng cách trong hệ thống điện, bài 
báo đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách. Các nghiên cứu này 
được thực hiện trên việc xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink để mô 
hình hóa sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm một đường dây có hai nguồn cung cấp ở hai đầu. 
Các giả định ngắn mạch được thiết lập trên đường dây ở các vị trí khác nhau nhằm đánh giá sự 
ảnh hưởng đó của TCSC đến rơle bảo vệ khoảng cách. Các kết quả mô phỏng cho thấy được ảnh 
hưởng của TCSC đến bảo vệ khoảng cách rằng khi có đặt TCSC thì tổng trở đo được tại vị trí đặt 
rơle bị ảnh hưởng trong khoảng thời gian quá độ cũng như trong khoảng thời gian xác lập sau sự 
cố. Điều này gây khó khăn trong việc định vị sự cố khi có ngắn mạch xảy ra, làm chậm quá trình 
22
khắc phục sự cố trên đường dây. Kết quả nghiên cứu của bài báo sẽ là phần tham khảo để tìm kiếm 
giải pháp nâng cao tính chọn lọc của rơle bảo vệ khoảng cách trên đường dây truyền tải điện năng 
trong điều kiện có lắp đặt thiết bị TCSC.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Đình Long, Bảo vệ các hệ thống điện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, (2007).
2. Nguyễn Hoàng Việt, Bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện, Nxb Đại học Quốc gia Tp. Hồ 
Chí Minh, (2011).
3. S. Sajedi, F. Khalifeh, Z. Khalifeh, T. karimi, Application of wavelet transform for identifi cation 
of fault location on transmission lines, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, Vol. 5, 
No. 12, pp. 1428 - 1432, (2011).
4. Amir TABATABAEI, Mohammad-Reza MOSAVI, Abdolreza RAHMATI, Fault location techniques 
in power system based on traveling wave using wavelet analysis and GPS timing, Electrical Review, 
pp. 347 - 350, (2012).
5. A. Kazemi, S. Jamali and H. Shateri, Measured impedance by distance relay in presence of SVC on 
transmission line, International Review of Electrical Engineering, Vol. 5, pp. 2214 - 2219, (2006).
6. Ngo Minh Khoa, Nguyen Huu Hieu, and Dinh Thanh Viet, A study of SVC’s impact simulation and 
analysis for distance protection relay on transmission lines, International Journal of Electrical and 
Computer Engineering, Vol. 7, No. 4, pp. 1686 - 1695, (2017).
7. S. Meikandasivam, R. K. Nema, and S. K. Jain, Selection of TCSC parameters: Capacitor and 
inductor, 2010 India International Conference on Power Electronics, New Delhi, India, January 
28 - 30, (2011).
Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng