GIỚI THIỆU CHUNG
Mở đầu
Các hệ thống điện (HTĐ) là dây chuyền sản xuất và truyền tải năng lượng quy mô lớn, chịu nhiều tác động ảnh hưởng đến sự ổn định trong quá trình vận hành Trong những điều kiện làm việc nhất định, hiện tượng mất ổn định HTĐ có thể xảy ra, dẫn đến cắt điện lan truyền trên các đường dây truyền tải và máy phát điện Hậu quả là hàng triệu phụ tải ở cả khu vực và quốc gia bị ngừng cung cấp điện trong thời gian dài, từ vài giờ đến vài ngày, gây thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội.
Việc phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ gây mất ổn định trong hệ thống điện (HTĐ) là vô cùng quan trọng để đảm bảo quá trình vận hành hiệu quả Tuy nhiên, do tính phức tạp của việc đánh giá mức độ ổn định, vấn đề này vẫn chưa được giải quyết triệt để, dẫn đến các sự cố lớn như sự cố rã lưới khu vực Đông Bắc nước Mỹ (2003) và sự cố rã lưới tại Ấn Độ vào ngày 31/7/2012 Mặc dù công nghệ và hạ tầng đo lường đã phát triển, vẫn cần nghiên cứu sâu hơn về phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ sự cố diện rộng trong HTĐ Sự phức tạp trong phân tích và đánh giá nguy cơ mất ổn định đến từ nhiều yếu tố khác nhau.
▪ Quy mô của HTĐ, số lượng các phần tử trong hệ thống là rất lớn
Trong quá trình vận hành, hư hỏng của các phần tử quan trọng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định của hệ thống Để đánh giá khả năng mất ổn định, cần thực hiện một khối lượng tính toán lớn với nhiều kịch bản khác nhau Tuy nhiên, việc mô phỏng chi tiết tất cả các kịch bản sự cố trong một thời điểm vận hành hiện tại là điều không khả thi.
Các cơ chế gây ra mất ổn định của HTĐ là rất đa dạng
Sự mất ổn định của hệ thống điện (HTĐ) có thể xảy ra do mất cân bằng công suất tác dụng, đặc biệt khi một nhà máy lớn bị cắt ra khỏi hệ thống Đây là một kịch bản điển hình về rã lưới của HTĐ Việt Nam trước khi xây dựng đường dây 500kV Ngoài ra, các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch tại thanh cái của các nhà máy lớn, mất các đường dây truyền tải hoặc các máy biến áp quan trọng cũng có thể gây ra dao động tốc độ rất lớn trong hệ thống.
2 mất cân bằng mô men điện-cơ trên các máy phát, dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ và tách hệ thống thành nhiều khu vực
Cơ chế mất ổn định điện áp là nguyên nhân chính gây ra hầu hết các sự cố rã lưới trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Hiện tượng này thường bắt nguồn từ việc thiếu hụt công suất phản kháng trong một khu vực cụ thể của hệ thống điện Những nỗ lực của người vận hành để khôi phục điện áp có thể dẫn đến quá tải cho các đường dây truyền tải và hệ thống kích từ của máy phát Khi quá tải gia tăng, hệ thống bảo vệ rơ le sẽ cắt một phần tử quan trọng, làm tình trạng quá tải trở nên nghiêm trọng hơn và dẫn đến cắt điện lan truyền không kiểm soát Hội Điện lực Quốc tế (IEEE) đã phân loại các dạng ổn định của hệ thống điện thành ba cơ chế mất ổn định chính: ổn định tần số, ổn định góc lệch và ổn định điện áp.
Khả năng của hệ thống giám sát và thu thập số liệu SCADA
Mặc dù công nghệ thông tin và truyền thông đã phát triển mạnh mẽ, việc thu thập và đưa dữ liệu vận hành về trung tâm điều độ trong hệ thống điện (HTĐ) vẫn gặp khó khăn do số lượng nút và phần tử lớn, cùng với khối lượng thông tin cần truyền tải khổng lồ Hơn nữa, chi phí cho các hệ thống thu thập dữ liệu cũng rất cao, đặc biệt khi yêu cầu đồng bộ thời gian.
▪ Khả năng của người vận hành hệ thống đánh giá được chính xác mức độ ổn định của hệ thống, dựa trên các thông số vận hành
Kinh nghiệm của người vận hành đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá mức độ ổn định của lưới điện, đặc biệt khi hệ thống có kích thước nhỏ và trào lưu công suất ổn định Tuy nhiên, khi hệ thống mở rộng và trào lưu công suất biến động, khả năng đánh giá của người vận hành bị hạn chế Các báo cáo phân tích sự cố rã lưới diện rộng tại Đông Bắc Mỹ đã chỉ ra rằng một trong những nguyên nhân chính là do người vận hành không nhận thức được mức độ nghiêm trọng của tình hình trước khi xảy ra sự cố, dẫn đến cắt điện lan truyền Ví dụ, vào ngày 14-8-2003, điện áp tại một nút quan trọng chỉ thấp hơn chút ít so với các ngày trước đó, khiến người vận hành không nhận ra mức độ nguy hiểm của hệ thống.
Hình 1-1 Diễn biến điện áp tại một nút quan trọng trước và trong ngày diễn ra sự cố 14-8-2003 tại Bắc Mỹ [4]
Dựa trên các phân tích và tổng hợp sự cố rã lưới toàn cầu và tại Việt Nam trong những năm qua, cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu nhằm nâng cao khả năng phát hiện và ngăn chặn sớm các sự cố lớn trong hệ thống Hiện nay, các giải pháp kỹ thuật chủ yếu để giải quyết vấn đề này được triển khai theo nhiều hướng khác nhau.
Tăng cường giám sát và đo lường tại các vị trí quan trọng trong hệ thống bằng cách ứng dụng công nghệ tiên tiến, bao gồm đo lường sử dụng tín hiệu đồng bộ thời gian.
Phát triển các thuật toán phân tích nhanh và đáng tin cậy cho hệ thống điều khiển, nhằm hỗ trợ quá trình ra quyết định của người vận hành.
▪ Nghiên cứu tối ưu hóa các giải pháp điều khiển nhanh để tránh hiện tượng sụp đổ điện áp
Để nâng cao kỹ năng và trình độ đánh giá hệ thống cho các điều độ viên, cần tăng cường công tác đào tạo thông qua việc mô phỏng các sự cố rã lưới thực tế Việc phân tích các giải pháp đã được triển khai sẽ giúp ngăn ngừa sự cố trong tương lai Qua đó, điều độ viên sẽ tích lũy kinh nghiệm, từ đó cải thiện khả năng ứng phó với các tình huống phát sinh.
Dựa trên việc thu thập kinh nghiệm và nghiên cứu các phương pháp phân tích mới trong đánh giá sự ổn định của hệ thống điện, bài nghiên cứu khoa học này được đề xuất nhằm giải quyết một phần những vấn đề hiện tại tại Việt Nam.
Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự đổi mới và phát triển kinh tế, hệ thống điện Việt Nam đang có những bước tiến vượt bậc về quy mô công suất và phạm vi cung cấp điện Từ năm
Kể từ năm 1994, hệ thống đường dây siêu cao áp 500kV đã được xây dựng và đưa vào vận hành, kết nối lưới điện Bắc-Trung-Nam với chiều dài gần 1500km Sự gia tăng nhu cầu điện đã dẫn đến việc xây dựng nhiều nhà máy điện và đường dây truyền tải, trong đó hệ thống lưới điện 500kV được mở rộng đáng kể Mạch đường dây 500kV ban đầu đã được nâng cấp thành mạch kép, phục vụ việc truyền tải điện từ Bắc vào Nam qua nhiều trạm quan trọng Theo quy hoạch phát triển hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2011-2030, nhiều đường dây và trạm 500kV mới sẽ được xây dựng, đặc biệt là với sự xuất hiện của nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận Hệ thống lưới điện 500kV hiện nay đã trở thành xương sống của lưới điện quốc gia, do đó, việc giám sát và đánh giá tình trạng vận hành của nó là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện.
Quá trình vận hành đường dây 500kV trong những năm gần đây bộc lộ những vấn đề cấp thiết:
Mức mang tải của các đường dây 500kV đang ở mức căng thẳng, với dòng điện đạt gần giới hạn nhiệt tối đa trong những ngày cao điểm Việc vượt qua giới hạn này là không thể chấp nhận.
▪ Trong tương lai gần, mức truyền tải trên hệ thống lưới điện 500kV sẽ tiếp tục tăng cao
Do đó, các nguy cơ tiềm ẩn về mất ổn định và rã lưới càng cần được quan tâm đặc biệt
Khi thị trường điện hoàn chỉnh, các công ty điện lực thường tận dụng tối đa hạ tầng truyền tải, dẫn đến mức truyền tải cao và giảm dự trữ ổn định, làm tăng nguy cơ mất ổn định cho hệ thống Nhằm đối phó với các rủi ro này, ngành điện đã thực hiện các giải pháp như nâng cấp hệ thống tụ bù dọc và lắp đặt máy cắt cho các kháng điện, nhằm cải thiện khả năng điều chỉnh điện áp Tuy nhiên, với mức truyền tải cao liên tục, nguy cơ xảy ra sự cố mất ổn định và rã lưới vẫn là điều khó tránh khỏi, điều này đã được minh chứng qua các sự cố diện rộng vào năm 2006.
Vào ngày 22/5/2013, một sự cố nghiêm trọng trên hệ thống lưới 500kV đã gây mất điện toàn miền Nam, cho thấy sự cần thiết phải nâng cao độ ổn định và khả năng truyền tải điện Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng các giải pháp toàn diện từ quy hoạch thiết kế đến phân tích tình trạng vận hành trong thời gian thực nhằm cảnh báo sớm và ngăn ngừa sự cố Hệ thống điện Việt Nam đang chuyển từ thị trường điện độc quyền sang thị trường phát điện cạnh tranh, điều này làm tăng tính cấp thiết của việc phân tích nguy cơ mất ổn định khi các đường dây truyền tải luôn được huy động tối đa Các nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng không có giải pháp chung cho vấn đề này, mà các biện pháp cần được điều chỉnh theo cấu trúc lưới điện và phân bố nguồn phát điện của từng hệ thống Do đó, cần tiến hành các nghiên cứu mô phỏng và cảnh báo nguy cơ rã lưới cho hệ thống điện Việt Nam để đưa ra các giải pháp cụ thể và phù hợp.
Đề tài nghiên cứu “Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống điện 500kV Việt Nam nhằm phát hiện và cảnh báo nguy cơ rã lưới” không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong sản xuất và truyền tải điện mà còn hỗ trợ đào tạo, nâng cao trình độ cho đội ngũ vận hành điều độ hệ thống điện Các sản phẩm phần mềm này cũng cung cấp công cụ nghiên cứu và phân tích hữu ích cho sinh viên đại học và học viên sau đại học.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là: Xây dựng được phần mềm mô phỏng hệ thống điện 500kV
Việt Nam để khảo sát các điều kiện vận hành của hệ thống điện nhằm phát hiện và cảnh báo nguy cơ rã lưới trên diện rộng
Phần mềm mô phỏng hệ thống điện 500kV được phát triển từ các mô đun chương trình đa dạng, giúp mô phỏng chế độ hoạt động của lưới điện Công cụ này cho phép phân tích mức độ an toàn và ổn định của hệ thống điện, từ đó đánh giá chính xác tình trạng làm việc của lưới điện 500kV.
Giao diện phần mềm mô phỏng được thiết kế đặc biệt để phục vụ cho giảng dạy và đào tạo chuyển giao cho ngành công nghiệp, nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể trong quá trình học tập và ứng dụng thực tiễn.
Để đánh giá chính xác mức độ ổn định và an toàn của hệ thống điện, cần thiết lập các chỉ tiêu định lượng phù hợp cho công tác vận hành, quy hoạch và thiết kế hệ thống điện.
▪ Đề xuất một số giải pháp trong vận hành và trong quy hoạch thiết kế nhằm giảm nguy cơ xảy ra các sự cố rã lưới trên diện rộng.
Phương pháp nghiên cứu
Việc phát hiện và cảnh báo sớm các sự cố diện rộng ngày càng thu hút sự chú ý trong những năm gần đây, với nhiều nghiên cứu được công bố từ thập niên 1990 Sự gia tăng thiết bị PMU đã mở ra hướng nghiên cứu mới cho vấn đề này Nhóm nghiên cứu không phát triển một hướng cụ thể mà áp dụng các phương pháp đã được công nhận để đánh giá ưu nhược điểm của chúng Mục tiêu là xác định phương pháp hiệu quả nhất, đặc biệt là những phương pháp phù hợp với đặc điểm của hệ thống điện Việt Nam.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã khảo sát một số phương pháp phổ biến để đánh giá độ ổn định, bao gồm phương pháp dựa trên ma trận Jacobi, đánh giá độ nhạy xác định nút yếu, nhận dạng online mối quan hệ giữa CSPK của các nút phụ tải và nút máy phát, cùng với phương pháp dựa trên tổng trở biểu kiến Các phương pháp này được kiểm chứng qua dữ liệu từ quá trình mô phỏng các sự cố diện rộng Mặc dù nghiên cứu đề cập đến vấn đề tối ưu vị trí thiết bị đo PMU và bài toán State Estimation, nhóm tác giả không đi sâu vào phân tích ảnh hưởng của sai số đo lường và giải thuật SE đến các phương pháp đánh giá, nội dung này sẽ được nghiên cứu sâu hơn trong tương lai.
Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được cấu trúc như sau:
Chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về ổn định hệ thống điện, đồng thời giải thích cơ chế của các sự cố diện rộng và sự cố rã lưới Ngoài ra, chương này cũng nêu bật một số sự cố diện rộng quy mô lớn đã xảy ra tại Việt Nam và trên thế giới.
▪ Chương 3 trình bày về thiết bị đo đồng bộ góc pha (PMU), và tiềm năng ứng dụng của thiết bị này trong quá trình vận hành HTĐ
Chương 4 giới thiệu mô hình tối ưu hóa vị trí đặt PMU trong hệ thống điện, đồng thời trình bày kết quả tính toán áp dụng cho các hệ thống điện mẫu và hệ thống điện Việt Nam.
▪ Chương 5 trình bày mô hình bài toán đánh giá trạng thái (State Estimation) trong HTĐ
Chương 6 của bài viết tập trung vào lý thuyết phân tích ổn định hệ thống điện, đặc biệt là quá trình động học của các sự cố sụp đổ điện áp dài hạn Ngoài ra, chương này cũng trình bày cơ sở lý thuyết cho các phương pháp đánh giá và phát hiện sớm sự cố diện rộng, được nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài.
Chương 7 đề cập đến các mô hình hệ thống điện mẫu và các kịch bản cho sự cố diện rộng liên quan đến những hệ thống này Ngoài ra, chương cũng tiến hành đánh giá sơ bộ tác động của các rơ le bảo vệ đối với quá trình diễn biến của sự cố diện rộng.
Chương 8 trình bày kết quả của việc áp dụng các phương pháp đánh giá ổn định và cảnh báo sớm về tình trạng mất ổn định, như đã nêu trong Chương 6, vào các ví dụ cụ thể được đề cập trong Chương 7.
▪ Chương 9 trình bày một số giải pháp thực dụng nhằm ngăn ngừa sự tác động lan truyền của rơ le bảo vệ và ngăn ngừa sự cố diện rộng
▪ Chương 10 trình bày các kết luận của đề tài
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN VÀ CƠ CHẾ CỦA CÁC SỰ CỐ DIỆN RỘNG
Phân loại ổn định trong hệ thống điện
Theo phân loại hiện nay, cơ chế mất ổn định hệ thống điện (HTĐ) được chia thành ba loại chính: ổn định tần số, ổn định góc lệch và mất ổn định điện áp Việc phân loại này dựa trên cơ chế gây ra hiện tượng mất ổn định, theo định nghĩa hiện tại của IEEE Dựa trên các cơ chế này, các quá trình ổn định có thể được phân loại như thể hiện trong Hình 1-1.
Hệ thống điện Ổn định góc pha Ổn định tần số Ổn định điện áp Ổn định
Dao động nhỏ Ổn định quá độ
Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn
Tác động lớn Tác động nhỏ
Hình 2-1 Phân loại các dạng ổn định trong HTĐ
Quá trình mất ổn định tần số xảy ra khi có sự chênh lệch lớn giữa công suất yêu cầu của phụ tải và công suất đáp ứng của nguồn điện trong hệ thống Tình trạng này có thể phát sinh khi hệ thống gặp sự cố với một tổ máy phát lớn hoặc một đường dây truyền tải quan trọng, làm giảm khả năng truyền tải khi hệ thống đang hoạt động ở mức tải cao Để giải quyết vấn đề này, cần phải lập kế hoạch vận hành cho các nhà máy và tính toán lượng công suất dự phòng, nhằm đảm bảo an ninh cho hoạt động của hệ thống điện.
Quá trình mất ổn định góc lệch xảy ra do các sự cố ngắn mạch lớn trong hệ thống điện, gây ra dao động công suất ở các máy phát, dẫn đến tình trạng mất đồng bộ của máy phát.
Quá trình mất ổn định điện áp đang trở thành lĩnh vực nghiên cứu được chú trọng, vì nó có thể được đánh giá nhanh chóng thông qua phân tích chế độ xác lập, phù hợp với công nghệ máy tính hiện đại Đồng thời, mất ổn định điện áp là nguyên nhân chính gây ra các sự cố rã lưới và có thể dẫn đến mất ổn định tần số cũng như ổn định góc lệch trong hệ thống điện.
Mô hình toán học của bài toán nghiên cứu quá trình mất ổn định trong dài hạn
Các sự cố diện rộng và sự cố rã lưới tại Việt Nam và trên thế giới thường liên quan đến sự mất ổn định điện áp trong thời gian dài Thời gian sụp đổ điện áp có thể kéo dài từ vài chục phút đến vài giờ, cho thấy rằng mô hình tĩnh dựa trên phương trình chế độ xác lập có thể được áp dụng trong nghiên cứu ổn định dài hạn Nếu bài toán chế độ xác lập không có lời giải, hệ thống sẽ gặp phải tình trạng mất ổn định Ngoài ra, quá trình mất ổn định còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc tính của phụ tải, sự can thiệp của người vận hành và hệ thống rơ le bảo vệ.
Ngoài mô hình tĩnh, nhiều nghiên cứu đã áp dụng mô hình động học đơn giản hóa để đánh giá ổn định dài hạn Mô hình động học của hệ thống điện trong dài hạn có thể được mô tả như sau [9].
Trong hệ phương trình, x đại diện cho các biến trạng thái chậm, y là các biến trạng thái nhanh, và 𝜀 là hệ số rất nhỏ Để nghiên cứu các bài toán động học trung và dài hạn của hệ thống điện, ta coi 𝜀 = 0, dẫn đến việc bỏ qua quá trình động học nhanh (biến y) Kết quả là ta có được hệ phương trình gần đúng.
Trong báo cáo này, phân tích ổn định tĩnh được hiểu là việc sử dụng hệ phương trình chế độ xác lập của hệ thống điện, trong khi phân tích ổn định động bao gồm cả phương trình chế độ xác lập và hệ phương trình vi phân mô tả động học của máy phát, phụ tải và thiết bị điều khiển.
Hệ phương trình (2.2) được xem là hệ phương trình hai thang thời gian (two time scale) Trong nhiều tài liệu, nó thường được gọi là hệ phương trình vi phân đại số (DAE).
Trong nghiên cứu ổn định dài hạn của hệ thống điện, có hai phương pháp chính là phân tích ổn định tĩnh và phân tích ổn định động Cần lưu ý rằng cách định nghĩa khái niệm "tĩnh" có thể khác nhau tùy thuộc vào ngữ cảnh nghiên cứu.
Trong báo cáo này, khái niệm "động" được xác định dựa trên quan điểm hiện tại của IEEE [7], [10], khác biệt so với các định nghĩa về ổn định tĩnh và ổn định động thường được áp dụng tại Việt Nam.
Hiện tượng mất ổn định phi chu kỳ, với kích động nhỏ, là khởi đầu của các sự cố sụp đổ điện áp Để phân tích hệ thống điện, cần tuyến tính hóa các phương trình động học quanh điểm làm việc cân bằng, tuy nhiên điều này yêu cầu đầy đủ các tham số động học của máy phát và hệ thống điều khiển Trong thực tế, việc tái tạo mô hình động học không khả thi do độ phức tạp cao và nhiễu từ hệ thống đo lường.
Do quá trình mất ổn định dài hạn diễn ra chậm, các phương trình vi phân có thể được đơn giản hóa so với hệ phương trình vi phân thường dùng để mô tả động học của máy phát Trong nhiều trường hợp, mô hình gần tĩnh (Quasi Steady State) được áp dụng để nghiên cứu quá trình ổn định dài hạn Ngoài ra, phần mềm mô phỏng chuyên dụng hỗ trợ mô hình QSS nhằm tăng tốc độ tính toán.
2.2.2 Quá trình mất ổn định
Hệ thống điện có nhiều cơ chế khác nhau dẫn đến sự mất ổn định, một chủ đề rộng lớn đã được đề cập trong nhiều sách giáo khoa và nghiên cứu Trong nghiên cứu này, nhóm tập trung vào các dạng mất ổn định liên quan đến sự cố diện rộng trong các hệ thống lớn, đặc biệt là do sụp đổ điện áp Quan điểm hiện tại của tổ chức Power and Energy cũng được xem xét trong bối cảnh này.
Sự cố diện rộng trong hệ thống điện, được xác định bởi IEEE, thường bắt nguồn từ sự kiện mất điều khiển điện áp Khi xảy ra mất điều khiển tại một khu vực cục bộ, điện áp của nút hoặc toàn bộ khu vực sẽ giảm dần, dẫn đến sự gia tăng trào lưu công suất phản kháng trên các đường dây kết nối với khu vực bị ảnh hưởng.
Mô hình toán học mô tả hiện tượng mất điều khiển sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 6 Sự kiện mất điều khiển của hệ phương trình (2.2) xuất phát từ một nghiệm riêng có phần thực dương của hệ tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng Theo lý thuyết điều khiển tuyến tính, khi hệ thống có nghiệm nằm bên phải mặt phẳng tọa độ, sẽ xảy ra hai khả năng mất ổn định.
Mô hình HTĐ trong giải tần số hẹp có thể được nhận diện với độ chính xác nhất định, tạo nền tảng cho các phương pháp nhận dạng trực tuyến nhằm phát hiện dao động công suất trong HTĐ.
Mất ổn định chu kỳ xảy ra khi nghiệm riêng là nghiệm phức, trong khi mất ổn định phi chu kỳ xảy ra khi nghiệm riêng là nghiệm thực dương Quá trình sụp đổ điện áp thường liên quan đến trường hợp mất ổn định phi chu kỳ Mặc dù có thể xây dựng mô hình toán học cho hệ thống tại thời điểm mất điều khiển, nhưng mô hình này rất phức tạp và yêu cầu nhiều thông số thiết bị Do đó, trong nhiều trường hợp, phương pháp tiếp cận tĩnh, chỉ xem xét khả năng có nghiệm của hệ phương trình đại số, cũng cho phép đánh giá tương đối chính xác mức độ ổn định của hệ thống.
Khi điện áp giảm xuống mức quá thấp, các rơ le bảo vệ, đặc biệt là những rơ le dựa trên nguyên lý tổng trở, sẽ kích hoạt Sự giảm điện áp này không chỉ làm giảm khả năng tải của các nhà máy điện mà còn có thể dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ Trình tự xảy ra các sự kiện này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc tính phụ tải, thời gian sụp đổ điện áp và các thông số cài đặt của hệ thống rơ le Do đó, nghiên cứu và mô phỏng quá trình sụp đổ điện áp và rã lưới là một nhiệm vụ phức tạp, cần xem xét nhiều thiết bị điều chỉnh và bảo vệ trên lưới.
Một số sự cố gây mất ổn định điển hình trên thế giới và Việt Nam
Trên toàn cầu, đã xảy ra nhiều sự cố tan rã hệ thống đô thị (HTĐ) với những tác động nghiêm trọng đến kinh tế và xã hội Dưới đây là tóm tắt một số sự cố điển hình gần đây.
2.3.1 Sự cố tại Pháp ngày 19/12/1978
HTĐ Pháp đang nhập khẩu điện từ các nước trong Liên minh Châu Âu Nhu cầu phụ tải tăng đột biến, đạt hơn 4000MW từ 7h00 đến 8h00 sáng, với mức tăng 1600MW so với ngày trước Điều này dẫn đến việc điện áp giảm xuống trong khoảng thời gian từ 8h05 đến 8h10, buộc nhân viên vận hành phải khóa các bộ tự động điều áp của các MBA trên lưới điện cao áp Đến 8h20, điện áp tại các nút trên lưới truyền tải 400kV đã giảm xuống còn 342 – 374kV Một số đường dây bị cắt do bảo vệ quá dòng, làm giảm thêm điện áp và gây ra sụp đổ điện áp Kết quả là 29GW tải bị cắt, với tổng điện năng không cung cấp ước tính khoảng 100GWh.
2.3.2 Sự cố tại Italia ngày 28/9/2003
Sự cố xảy ra đã gây ra sự rã lưới trên toàn nước Ý, dẫn đến việc ngừng cung cấp 180GWh trong vòng 24 giờ Hệ thống điện của châu Âu được kết nối qua các đường dây tải điện xoay chiều và được điều hành bởi ủy ban điều phối lưới truyền tải châu Âu, trong khi mỗi quốc gia có một đơn vị quản lý riêng cho hệ thống lưới điện của mình Trước khi sự cố xảy ra, giá điện tại các nhà máy ở Ý cao hơn mức giá chung của châu Âu, dẫn đến việc gia tăng mạnh mẽ công suất từ lưới điện châu Âu đổ vào Ý thông qua các kết nối với Pháp, Thụy Sỹ, Áo và Slovenia.
Italy có 6 đường dây 400kV và 9 đường dây 230kV, đồng thời được kết nối với Hy Lạp qua cáp một chiều với công suất truyền tải tối đa khoảng 500MW.
Vào lúc 3h00 sáng ngày 28/9/2003, tổng phụ tải của Italy đạt 27,4GW, trong đó có 3400MW từ thủy điện tích năng Các nhà máy trong nước cung cấp khoảng 20,3GW, trong khi các đường dây liên kết truyền tải cung cấp thêm 6800MW và 300MW từ Hy Lạp Phụ tải cao hơn dự báo khoảng 800MW đã dẫn đến việc tăng lượng điện nhập khẩu thêm 500MW so với kế hoạch Sự cố phóng điện vào cây đã làm cắt mạch đường dây 400kV Mettlen – Lavorgo vào lúc 3h00.
Việc thực hiện đóng lại đường dây đã không thành công do sự lệch góc pha điện áp giữa
2 phía là quá lớn Đường dây này bị cắt ra đã dẫn đến quá tải các đường dây đi từ Thụy
Sĩ, đơn vị vận hành lưới điện Thụy Sĩ, đã nỗ lực khôi phục trào lưu công suất trên đường dây liên lạc với Italy Tuy nhiên, các tác động trên lưới không đủ để giảm thiểu tình trạng quá tải của các đường dây liên kết Quá tải đã khiến đường dây võng xuống và gây ra hiện tượng phóng điện vào lúc 3h25, dẫn đến việc cắt điện thêm một đường dây.
Việc cắt điện đường dây ở Bắc Italy đã gây ra sự lan truyền cắt điện tới nhiều đường dây liên lạc, dẫn đến điện áp giảm mạnh và dao động công suất Hệ thống điện Italy đã hoàn toàn tách khỏi lưới điện châu Âu, thiếu hụt 6800MW công suất Tần số lưới điện giảm đáng kể, buộc hệ thống sa thải phụ tải hoạt động Tuy nhiên, một số tổ máy nhiệt điện đã sa thải không chính xác, dẫn đến việc tách lưới và sụp đổ tần số.
2.3.3 Sự cố tại Tokyo – Nhật Bản ngày 23/7/1987
Vào ngày 23/7/1987, một sự cố rã lưới diện rộng đã xảy ra tại hệ thống điện thành phố Tokyo, Nhật Bản, gây cắt điện 8GW phụ tải Ngày hôm đó, nhiệt độ tại Tokyo ghi nhận lên tới 36°C, trong khi dự báo phụ tải ban đầu là 38,5GW nhưng thực tế đã tăng lên 40GW, đạt mức kỷ lục tại thời điểm đó Dù vậy, hệ thống điện vẫn duy trì được chế độ vận hành an toàn trong buổi sáng.
Vào giờ nghỉ trưa, phụ tải điện giảm từ 39GW xuống 36,5GW, dẫn đến việc tách nhiều tụ bù ngang khỏi lưới để giảm điện áp tăng cao Tuy nhiên, phụ tải tăng nhanh trở lại đã khiến điện áp giảm mạnh Vào lúc 13h19, điện áp trên lưới 500kV giảm xuống dưới 400kV, dẫn đến việc hai đường dây 500kV bị tách ra do rơ le khoảng cách Việc cắt điện này làm cho điện áp hệ thống càng suy giảm, gây ra các tác động lan tràn như bảo vệ quá kích thích, mất đồng bộ các tổ máy và bảo vệ khoảng cách đường dây, dẫn đến sụp đổ điện áp.
2.3.4 Sự cố tách lưới châu Âu ngày 4/11/2006
Vào ngày 4/11/2006, một sự kiện nghiêm trọng đã xảy ra trên lưới điện châu Âu (UTCE) khi nhiều đường dây 220kV và 380kV bị tách ra để bảo trì do dự báo mức phụ tải thấp Vào lúc 21h40, hai đường dây 380kV đã được thao tác tách ra sớm hơn dự kiến để đảm bảo an toàn cho một chuyến tàu lớn trên sông Ems, mà không thông báo cho đơn vị quản lý lưới Hệ quả của việc tách đường dây này đã dẫn đến quá tải trên một đường dây liên kết, khiến đường dây này cũng bị cắt ra, và sau đó hàng loạt đường dây khác bị tách theo dây chuyền, làm cho lưới điện châu Âu bị chia thành ba khu vực khác nhau.
Tần số ghi nhận trong sự kiện này cho phép xác định chính xác thời điểm tách lưới Sau khi tách lưới, hệ thống điều khiển và bảo vệ đã phản ứng kịp thời, ngăn chặn tình trạng rã lưới hoàn toàn Tuy nhiên, khoảng 17GW tải ở khu vực phía Tây đã bị sa thải Khu vực Đông Bắc gặp tình trạng dư thừa công suất, với biến động tần số sau đó do các trang trại điện gió gây ra, tự động ngắt khi tần số vượt 51,4Hz và tự khôi phục khi tần số trở về mức bình thường.
2.3.5 Sự cố diện rộng trên lưới điện Việt Nam ngày 22 tháng 5 năm 2013
Vào ngày 22/05/2013, lúc 14h15, sự cố đường dây 500kV Di Linh – Tân Định xảy ra do cây vi phạm khoảng cách an toàn, dẫn đến việc tách lưới giữa hai miền và mất điện tại các tỉnh phía Nam Đến 15h40, EVN đã khôi phục liên kết Bắc – Nam 500kV, và đến 22h40, toàn bộ hệ thống điện miền Nam đã được khôi phục Tại Campuchia, mất điện diễn ra vào lúc 14h ở phần lớn Phnom Penh, và sau 8-10 giờ, các phụ tải mới được cấp điện trở lại.
Cơ chế của các sự cố rã lưới và sự cố diện rộng
Các sự cố rã lưới trên thế giới cho đến nay thường tuân theo một kịch bản điển hình như sau [5]:
Hệ thống đang trong tình trạng quá tải, dẫn đến điện áp tại các nút tải bị giảm Các máy phát điện hoạt động gần giới hạn cho phép của bộ phận kích từ, trong khi dự trữ công suất phản kháng cho hệ thống cũng giảm xuống mức thấp.
Một hoặc hai sự cố hư hỏng ngẫu nhiên có thể xảy ra với các phần tử quan trọng trong hệ thống, dẫn đến việc cắt điện cho những phần tử này Những sự cố này có thể do hiện tượng ngắn mạch làm mất điện một đường dây quan trọng, hoặc do rơ le bảo vệ hoạt động không chính xác, gây ra việc cắt điện cho một phần tử.
Khi một phần tử quan trọng bị mất trong hệ thống đang hoạt động với tải nặng, máy phát và đường dây sẽ bị quá tải, dẫn đến hiện tượng cắt điện lan truyền do các hệ thống bảo vệ Các thiết bị điều khiển và bảo vệ chính có thể góp phần vào quá trình cắt lan truyền này.
▪ Bảo vệ quá kích từ máy phát điện (Overexcitation limiter)
▪ Thiết bị điều chỉnh điện áp dưới tải
Các rơ le hoạt động dựa trên nguyên lý tổng trở bao gồm: rơ le khoảng cách, rơ le phát hiện mất đồng bộ, rơ le phát hiện mất kích từ và rơ le quá dòng điện.
Khi hiện tượng cắt điện lan rộng, các rơ le tần số sẽ được kích hoạt, dẫn đến việc sa thải phụ tải và sa thải máy phát.
Tác động tự điều chỉnh của phụ tải và sự can thiệp của người vận hành hệ thống là những yếu tố quan trọng cần xem xét, đặc biệt khi quá trình diễn ra trong vài phút hoặc lâu hơn.
Mặc dù hệ thống điện hiện đại được trang bị SCADA và thiết bị điều chỉnh tiên tiến cùng với rơ le bảo vệ đáng tin cậy, nhưng sự cố diện rộng vẫn có thể xảy ra, dù với xác suất thấp Trong những năm gần đây, các sự cố điện lớn trên thế giới, như sự cố Bắc Mỹ, đã cho thấy rằng rủi ro này vẫn tồn tại.
Các sự cố mất điện lớn như ở Italy năm 2003 và Ấn Độ năm 2012 đã chỉ ra rằng việc phân tích các sự cố rã lưới là một thách thức lớn cho người vận hành, do khối lượng lớn bản ghi sự cố cần xử lý Việc xác định trình tự sự kiện trong những tình huống này rất phức tạp Do đó, mô phỏng các sự cố diện rộng theo nhiều kịch bản khác nhau là rất quan trọng, giúp người sử dụng hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các thiết bị điều khiển bảo vệ trong hệ thống điện khi xảy ra sự cố nghiêm trọng.
Sự làm việc của hệ thống rơ le bảo vệ trong các sự cố diện rộng
Các sự cố diện rộng của hệ thống điện thường gây ra sụt áp trên diện rộng và dao động công suất ở một hoặc nhóm máy phát điện Những hiện tượng này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống rơ le bảo vệ Các rơ le chịu tác động nhiều nhất trong tình huống sụt áp là rơ le dựa trên nguyên lý tổng trở và quá dòng điện, hai nguyên lý bảo vệ phổ biến trong hệ thống điện Do đó, cần thực hiện các mô phỏng chi tiết để đánh giá khả năng tác động của hệ thống rơ le khi hệ thống ở trạng thái làm việc nguy hiểm.
2.5.1 Rơ le quá dòng điện
Khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện, quá tải đường dây và các máy biến áp sẽ kích hoạt các rơ le bảo vệ quá dòng điện và quá tải Thời gian tác động của các rơ le này phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của sự quá tải; nếu dòng quá tải không quá lớn, thời gian tác động có thể kéo dài hàng chục phút Tuy nhiên, khi nhiều phần tử bị cắt ra, khoảng thời gian giữa các lần rơ le tác động sẽ dần rút ngắn lại.
Rơ le bảo vệ khoảng cách là thiết bị phổ biến trong hệ thống điện, hoạt động dựa trên nguyên lý tổng trở Thiết bị này thực hiện việc đo tổng trở tại vị trí lắp đặt, giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống điện.
Khi không xảy ra sự cố, tổng trở đo được phản ánh tổng trở của đường dây, máy biến áp và phụ tải Tuy nhiên, khi có ngắn mạch giữa các pha hoặc giữa dây dẫn với đất, tổng trở đo được từ rơ le giảm mạnh, giúp phát hiện sự cố kịp thời Sơ đồ vùng bảo vệ của rơ le tổng trở với ba vùng tác động được thể hiện rõ trong Hình 2-2 Đặc biệt, tổng trở đo được của rơ le phụ thuộc nhiều vào điện áp tại vị trí lắp đặt Trong trường hợp hệ thống bị quá tải và điện áp giảm, tổng trở đo được có thể giảm mạnh, dẫn đến nguy cơ rơ le khoảng cách nhầm lẫn giữa chế độ quá tải và sự cố ngắn mạch.
Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý rơ le khoảng cách
2.5.3 Rơ le phát hiện mất đồng bộ
Rơ le phát hiện mất đồng bộ có chức năng quan trọng trong việc nhận diện tình trạng máy phát không còn đồng bộ với lưới điện, khi góc pha điện áp của máy phát quay khác với tốc độ đồng bộ của hệ thống Hiện tượng này dẫn đến dòng điện qua máy phát tăng cao, đặc biệt khi điện áp của máy phát và hệ thống ngược pha, gây ra nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng cho máy phát điện.
Hình 2-3 Sơ đồ nối máy phát với lưới và nguyên tắc chỉnh định rơ le phát hiện mất đồng bộ
Nguyên tắc chỉnh định của rơ le phát hiện mất đồng bộ được minh họa trên Hình 2-3
Rơ le này hoạt động dựa trên nguyên lý tổng trở, cho phép phát hiện sự cố khi góc pha điện áp giữa máy phát và hệ thống lệch nhau 180 độ Khi xảy ra hiện tượng này, rơ le tổng trở tại máy phát sẽ nhận diện tổng trở tương tự như một sự cố ba pha tại tâm dao động.
2.5.4 Rơ le bảo vệ quá kích từ máy phát (OEL) Đây là một bảo vệ có vai trò quan trọng trong các sự cố diện rộng của hệ thống điện Khi các máy phát làm việc ở trạng thái gần kích từ giới hạn, phát nóng trong cuộn dây kích từ tăng cao Khi dòng kích từ vượt quá giá trị làm việc lâu dài cho phép, bảo vệ quá kích từ sẽ tác động, làm giảm dòng kích từ của máy phát Tuy nhiên tác động này làm giảm một lượng đáng kể công suất phản kháng cấp cho hệ thống, làm điện áp càng sụt giảm mạnh [20]
Hình 2-4 Quy định về khả năng chịu đựng quá kích từ máy phát
Khả năng chịu đựng quá kích từ của máy phát được quy định bởi IEEE, như thể hiện trong Hình 2-4 Khi xảy ra sự cố OEL ở một máy phát, gánh nặng điều khiển điện áp sẽ được chuyển sang các máy phát xung quanh, gây ra tác động lan truyền của các bảo vệ OEL và dẫn đến sự giảm dần của điện áp hệ thống.
Mối quan hệ giữa các rơ le quá kích thích và quá trình sụp đổ điện áp được thể hiện rõ qua Hình 2-5 [21] Khi xảy ra sự sụt giảm điện áp do mất một đường dây 500kV (hình bên trái), dòng điện kích từ của máy phát cũng có xu hướng tăng dần theo thời gian (hình bên phải).
Hình 2-5 Hiện tượng quá kích thích mạch từ và quá trình sụp đổ điện áp
2.5.5 Rơ le sa thải phụ tải
Khi rơ le bảo vệ tác động, hệ thống điện sẽ bị chia thành các khu vực cô lập, dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ về tần số của các khu vực này Sự thay đổi tần số phụ thuộc vào mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ và công suất phát.
Khi tần số giảm mạnh do thiếu công suất phát, các rơ le sa thải phụ tải sẽ hoạt động để ngăn chặn tình trạng này Việc phối hợp giữa các rơ le bảo vệ tần số cho phụ tải và máy phát điện là rất quan trọng, nhằm đảm bảo rằng phụ tải được sa thải trước, từ đó giảm thiểu nguy cơ xảy ra sụp đổ tần số.
Quá trình diễn biến sự cố diện rộng trong hệ thống điện lớn chịu ảnh hưởng lớn từ rơ le bảo vệ, với các nghiên cứu cho thấy rằng bảo vệ quá kích từ OEL và rơ le khoảng cách vùng 3 thường tham gia trong các kịch bản sự cố Do đó, việc mô phỏng quá trình quá độ của hệ thống điện cần xem xét đầy đủ các nguyên lý rơ le bảo vệ có khả năng tác động khi thông số hệ thống thay đổi mạnh, đặc biệt là các rơ le OEL, rơ le dựa trên nguyên lý tổng trở và rơ le sa thải phụ tải theo tần số.
THIẾT BỊ ĐO ĐỒNG BỘ GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Giới thiệu về thiết bị đo đồng bộ góc pha
Hình 3-1 Biểu diễn biên độ và góc pha của tín hiệu điều hòa
Biên độ và góc pha của dòng điện và điện áp là các đại lượng quan trọng trong hệ thống điện, được cập nhật liên tục tại các điểm nút và gửi về trung tâm điều khiển qua hệ thống SCADA Kết hợp với các thuật toán đánh giá trạng thái (SE - State Estimator), thông tin này giúp xác định tình trạng hoạt động của hệ thống điện tại một thời điểm cụ thể Biến đổi Fourier là công cụ cơ bản để phân tách biên độ 𝐴 và góc pha của thành phần 50Hz trong tín hiệu dòng điện và điện áp.
Trong chế độ xác lập, biên độ dòng điện và điện áp biến đổi chậm giúp đánh giá tình trạng hệ thống Tuy nhiên, góc pha của tín hiệu phụ thuộc vào gốc thời gian của tín hiệu được lấy mẫu, dẫn đến việc không thể so sánh hai tín hiệu pha đo tại hai vị trí khác nhau nếu chúng không được đồng bộ về thời gian Ví dụ, nếu hai tín hiệu có mốc thời gian lệch nhau 1ms, sai số về góc pha sẽ là 1/20 chu kỳ, tương đương 18 độ, đây là một sai số rất lớn.
Công nghệ đo lường đồng bộ góc pha (PMU – Phasor Measurement Unit) sử dụng thời gian chuẩn từ đồng hồ vệ tinh, cho phép đo tín hiệu tại các vị trí khác nhau trong hệ thống điện cùng một thời điểm với độ chính xác lên tới 1μs Nhờ vào độ chính xác này, PMU có khả năng so sánh góc pha giữa các điểm khác nhau trong hệ thống điện Kể từ đầu những năm 90, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi và ngày càng phổ biến trên toàn cầu.
Xác định góc pha tương đối giữa các nút trong hệ thống điện mang lại nhiều ứng dụng mới cho phân tích thời gian thực Độ chênh lệch góc pha giữa các nút phản ánh trào lưu công suất truyền tải và là thông tin quan trọng để đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện.
Các tín hiệu thu thập từ PMU có tốc độ cập nhật nhanh hơn nhiều so với tín hiệu SCADA, với khoảng 30-60 mẫu/s so với 1 mẫu/2-5 giây Hình 3-2 minh họa sự khác biệt này trong một sự kiện của hệ thống điện, cho thấy hiện tượng dao động công suất tắt dần trong khoảng 7 giây sau khi đóng cắt tải chỉ được phát hiện qua số liệu đo PMU Ngược lại, số liệu từ SCADA không thể hiện được hiện tượng này do chu kỳ cập nhật không đủ nhanh.
Công nghệ đo lường đồng bộ góc pha (PMU) mang lại nhiều ứng dụng mới trong phân tích, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện, cũng như trong quy hoạch và lập kế hoạch sản xuất Hệ thống PMU cho phép người vận hành theo dõi toàn bộ hệ thống với độ tin cậy cao và thời gian cập nhật nhanh chóng, giúp đánh giá chính xác và kịp thời tình trạng hoạt động của hệ thống Nhờ đó, người vận hành có thể đưa ra các quyết định điều chỉnh phù hợp và kịp thời Nếu hệ thống PMU và phần mềm ứng dụng được triển khai sớm hơn, có thể đã ngăn chặn được một số sự kiện rã lưới lớn trên thế giới trong 20 năm qua, như sự cố rã lưới ở Bắc Mỹ.
1996, 2003, sự cố rã lưới Italy năm 2003, sự kiện tách lưới châu Âu tháng 11/2006) có thể đã được phát hiện và ngăn ngừa kịp thời.
Các ứng dụng của thiết bị đo PMU
3.2.1 Các ứng dụng giám sát diện rộng
Tăng cườ ng kh ả năng quan sát và độ tin c ậ y c ủ a h ệ th ống giám sát lưới điệ n
Việc giám sát góc pha tương đối giữa các nút trong hệ thống điện là rất quan trọng để đánh giá ổn định của hệ thống Góc pha liên quan chặt chẽ đến trào lưu công suất trên lưới, cung cấp thông tin về tình trạng làm việc và mức độ an toàn của hệ thống Hình 3-4 minh họa góc pha đo được trên toàn lưới điện châu Âu vào ngày 4 tháng 11/2006, cho thấy sự sai biệt lớn về góc pha, phản ánh hiện tượng tách đảo đã xảy ra.
Hình 3-3 Góc pha quan sát đồng bộ trên lưới điện châu Âu, sự cố tháng
Trong hệ thống SCADA truyền thống, các thông số đo lường như dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp tại các nút trong lưới điện là rất quan trọng để đánh giá trạng thái và mức độ ổn định của hệ thống Tuy nhiên, do có sai số trong quá trình đo lường, các số liệu này cần được hiệu chỉnh thông qua công cụ đánh giá trạng thái để đảm bảo độ chính xác.
Do sự không đồng bộ về thời gian giữa các điểm đo lường, việc xác định trực tiếp góc pha tương đối giữa các điểm trong hệ thống trở nên khó khăn Điều này yêu cầu thu thập một lượng lớn số liệu đo lường để đánh giá trạng thái và xác định gần đúng góc pha giữa các nút Tuy nhiên, số liệu đo trực tiếp góc pha từ các PMU mang lại những lợi ích quan trọng.
Xác định trực tiếp góc pha của các nút giúp giảm thiểu sai số trong bài toán State Estimation, từ đó cho phép xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện nhanh chóng và chính xác hơn.
Dữ liệu từ PMU được thu thập với chu kỳ ngắn, giúp nhanh chóng đánh giá các quá trình quá độ trong hệ thống Nhờ đó, người vận hành có khả năng quan sát và phát hiện sớm các tình trạng làm việc nguy hiểm, từ đó thực hiện các can thiệp kịp thời.
Phát hi ện và đánh giá các dao độ ng công su ấ t trong h ệ th ống điệ n
Dao động công suất thường xảy ra khi hệ thống điện chịu tải nặng hoặc khi nhà máy điện kết nối với lưới qua các đường dây truyền tải dài Sự phát triển của thị trường phát điện cạnh tranh dẫn đến việc lưới truyền tải điện thường xuyên hoạt động ở trạng thái nặng tải, làm tăng tầm quan trọng của việc phát hiện và điều chỉnh dao động công suất Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu dao động công suất là việc thu thập dữ liệu chính xác về thông số máy phát điện, hệ thống kích từ và phản ứng của phụ tải với biến động điện áp Thực tế, việc có được dữ liệu đầy đủ là rất khó khăn, do đó, việc điều chỉnh thiết bị ổn định dao động công suất (PSS) hiện nay chủ yếu dựa vào đo đạc thực tế hoặc ghi nhận sự cố sau các sự kiện đóng cắt trên lưới.
Việc lắp đặt thiết bị PMU trên các đường dây truyền tải điện cho phép theo dõi chính xác hiện tượng dao động công suất Khi xảy ra sự kiện trên lưới, người vận hành có thể sử dụng dữ liệu thu thập được để xác định tác động ban đầu và các thông số dao động như tần số và hệ số tắt Điều này giúp đưa ra quyết định hợp lý nhằm giảm thiểu dao động, bao gồm thay đổi trào lưu công suất hoặc xác định vị trí cần cài đặt/chỉnh định lại PSS Ứng dụng PMU trong đánh giá dao động công suất đã được triển khai tại nhiều quốc gia, bao gồm Canada và Mỹ.
Trong chế độ xác lập của hệ thống điện, tần số tại các vị trí khác nhau là đồng nhất Tuy nhiên, khi hệ thống mất ổn định hoặc xảy ra các sự cố lớn, tần số đo được sẽ thay đổi tùy thuộc vào vị trí đo Diễn biến tần số của hệ thống cung cấp cái nhìn chính xác về tình trạng ổn định của hệ thống điện.
Dự án FNET tại Mỹ sử dụng thiết bị đo đồng bộ thời gian để theo dõi tần số tại nhiều điểm trong hệ thống Kết quả cho thấy tần số tại các nút khác nhau vẫn có sự khác biệt, phản ánh quá trình điều khiển tần số và mức độ ổn định của hệ thống Trong trường hợp sự cố lớn dẫn đến chia tách lưới điện, dữ liệu tần số giúp người vận hành nhanh chóng đánh giá tình trạng hệ thống và đưa ra quyết định kịp thời để khôi phục ổn định, như sa thải phụ tải hoặc khởi động nhà máy tại khu vực có tần số thấp.
Vào ngày 4/11/2006, các tần số đo được từ PMU tại nhiều vị trí trên lưới điện châu Âu cho thấy rõ sự chia tách của lưới điện thành ba phần Ổn định điện áp là vấn đề hàng đầu trong vận hành hệ thống điện, với nhiều sự cố rộng lớn và sự cố rã lưới trong những năm gần đây liên quan đến quá trình này Mất ổn định điện áp thường do thiếu hụt công suất phản kháng tại một khu vực, dẫn đến quá tải hệ thống kích từ và cắt điện lan truyền Để phát hiện nguy cơ mất ổn định, cần theo dõi mức điện áp tại các nút tải quan trọng và cảnh báo khi điện áp giảm thấp Tuy nhiên, quá trình sụp đổ điện áp có thể diễn ra nhanh chóng, khiến người vận hành không kịp ra quyết định Đánh giá ổn định điện áp đòi hỏi mô hình chính xác và công cụ đánh giá trạng thái đáng tin cậy.
Công nghệ đo PMU cho phép thu thập dữ liệu điện áp với tốc độ nhanh hơn hệ thống SCADA, giúp người vận hành đưa ra quyết định kịp thời Hiện nay, các giải thuật đánh giá ổn định điện áp dựa trên dữ liệu PMU đang được nghiên cứu và triển khai trên toàn cầu Để tăng tốc độ tính toán, các giải thuật này không dựa vào kết quả đánh giá trạng thái mà sử dụng các phương pháp thực tiễn như đánh giá tốc độ biến thiên điện áp Việc chỉ sử dụng dữ liệu đo PMU là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý điện năng.
25 việc đánh giá ổn định điện áp, độ tin cậy của hệ thống giám sát ổn định và tốc độ tính toán sẽ được cải thiện đáng kể
Các giải thuật đánh giá nhanh mức độ ổn định điện áp đang được phát triển mạnh mẽ bởi EPRI, ABB và SEL Việc kết hợp các giải thuật này với hệ thống rơ le sa thải phụ tải hợp lý sẽ giúp giảm thiểu đáng kể nguy cơ và thiệt hại từ các sự cố diện rộng.
3.2.2 Các ứng dụng off-line
Xây d ự ng và c ậ p nh ậ t mô hình các thi ế t b ị trong h ệ th ố ng
Trong quá trình vận hành hệ thống điện và quy hoạch, việc xây dựng mô hình chính xác cho các phần tử như máy phát, đường dây và phụ tải là rất quan trọng Tuy nhiên, thực tế cho thấy khó khăn trong việc thu thập số liệu đầy đủ và cập nhật về thiết bị cũng như hệ thống điều khiển Các thông số như điện trở, điện kháng và hỗ cảm của đường dây có thể thay đổi theo thời gian, trong khi số liệu về hệ thống điều khiển máy phát thường không phản ánh đúng thực tế.
Các vấn đề thường gặp trong mô hình mô phỏng hệ thống điện bao gồm mô hình máy phát điện, mô hình đáp ứng kích từ cho PSS, mô hình tuabin, và hệ thống điều tốc Theo quy định, máy phát và các hệ thống điều khiển tần số, công suất cần được đo định kỳ Tuy nhiên, thông số từ PMU cho phép đánh giá cập nhật thường xuyên hơn dựa trên biến động lưới điện Hiện nay, việc xây dựng thông số máy phát và hệ thống điều khiển dựa trên số liệu PMU đã trở thành giải pháp thay thế cho thí nghiệm truyền thống Nhiều ứng dụng đo lường đồng bộ đã được thực hiện để chỉnh định mô hình mô phỏng các nhà máy điện.
Phụ tải điện trong hệ thống luôn biến đổi theo các yếu tố như điện áp và tần số, phụ thuộc vào tính chất và thành phần của nó tại thời điểm vận hành Đặc biệt, trong những ngày hè nóng bức, đặc tính của phụ tải có xu hướng trở nên động cơ hơn do sự gia tăng sử dụng máy điều hòa không khí.
Hình 3-5 Kết quả mô phỏng và kết quả thực tế của sự kiện rã lưới, tháng
Các ứng dụng điều khiển và bảo vệ diện rộng dựa trên PMU
3.3.1 Trợ giúp quá trình khởi động đen và khôi phục hệ thống điện
Trong trường hợp mất điện diện rộng, việc khởi động lại các tổ máy và khôi phục điện có thể kéo dài thời gian Công nghệ đo đồng bộ góc pha giúp rút ngắn quá trình này đáng kể Bằng cách quan sát góc pha đồng bộ trên toàn hệ thống, người vận hành có thể phối hợp điều khiển các máy phát, giảm chênh lệch góc pha tại các điểm đóng cắt, từ đó tăng tốc độ hòa đồng bộ Thêm vào đó, dữ liệu đo tần số và góc pha với tốc độ cập nhật nhanh từ hệ thống PMU cho phép xác định chính xác thời điểm hòa điện.
3.3.2 Bảo vệ chống mất đồng bộ diện rộng
Việc thu thập số liệu về góc pha của các nút trong hệ thống với tốc độ cập nhật nhanh chóng có thể nâng cao hiệu quả của hệ thống rơ le bảo vệ chống mất đồng bộ Rơ le mất đồng bộ truyền thống chỉ dựa vào số liệu điện áp và dòng điện tại một vị trí nhất định, dẫn đến khó khăn trong việc phát hiện chính xác hiện tượng mất đồng bộ giữa các khu vực Số liệu đo góc pha từ PMU tại nhiều vị trí cho phép phát hiện nhanh chóng mất đồng bộ và thực hiện tách đảo để duy trì ổn định cho từng khu vực Hơn nữa, việc phát hiện mất đồng bộ có thể dựa vào việc quan sát trực tiếp góc pha của rotor, thay vì phương pháp tổng trở hiện tại Phương pháp dựa trên tổng trở có nhược điểm là ngưỡng chỉnh định của rơ le có thể thay đổi theo điều kiện làm việc, do đó cần kiểm tra thường xuyên Đo trực tiếp góc pha từ trục rotor của máy phát đồng bộ giúp xây dựng hệ thống bảo vệ diện rộng chống mất đồng bộ với độ tin cậy cao hơn.
3.3.3 Điều khiển ổn định các dao động công suất
Theo lý thuyết điều khiển ổn định hệ thống, việc sử dụng tín hiệu đo lường từ xa trong sơ đồ điều khiển giúp kiểm soát dao động công suất hiệu quả hơn Dao động công suất là hiện tượng trao đổi công suất giữa các nhóm máy phát ở các vị trí khác nhau trong hệ thống điện Tuy nhiên, công nghệ hiện tại vẫn gặp nhiều hạn chế trong việc triển khai các sơ đồ điều khiển vòng kín.
Mặc dù 29 dụng tín hiệu đo lường diện rộng chưa được hiện thực hóa, nhưng với sự tiến bộ của công nghệ PMU và hệ thống truyền tin, các sơ đồ điều khiển diện rộng sẽ sớm khả thi Điều này hứa hẹn sẽ mang lại giải pháp hiệu quả cho vấn đề dao động công suất.
![Hình 7-7 Sơ đồ lưới điện Nordic [53]. - MÔ PHỎNG các sự cố lớn về điện áp TRONG hệ THỐNG điện](https://media.store123doc.com/figures/006/438/hinh-so-do-luoi-dien-nordic-6438320.webp)
