Tổng quan nghiên cứu

Ổn định hệ thống điện là một yêu cầu thiết yếu trong vận hành lưới điện liên kết, nhằm đảm bảo cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Theo ước tính, các sự cố mất điện nghiêm trọng xảy ra với tần suất ngày càng tăng, đòi hỏi các giải pháp điều khiển khẩn cấp hiệu quả để duy trì ổn định hệ thống. Trong đó, phương pháp sa thải phụ tải khẩn cấp được xem là giải pháp mạnh mẽ nhằm ngăn ngừa sụp đổ hệ thống khi xảy ra sự cố mất máy phát công suất lớn hoặc sự cố ngắn mạch. Mục tiêu nghiên cứu là cải tiến phương pháp điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải trong hệ thống điện, sử dụng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp với lý thuyết khoảng cách điện áp để xác định thứ tự ưu tiên sa thải tải nhằm duy trì ổn định tần số và điện áp hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 03/2018 đến 03/2019 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, mô phỏng trên hệ thống chuẩn IEEE 39 bus với 10 máy phát, ở các mức tải từ 80% đến 100%. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu công suất sa thải, rút ngắn thời gian phục hồi tần số và điện áp, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết khoảng cách điện áp và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN). Lý thuyết khoảng cách điện áp được sử dụng để tính toán khoảng cách điện áp giữa máy phát bị sự cố và các nút tải, dựa trên ma trận nghịch đảo Jacobian, từ đó xác định thứ tự ưu tiên sa thải tải theo khoảng cách tăng dần. Mạng nơ-ron nhân tạo, cụ thể là mạng lan truyền ngược (Backpropagation Neural Network - BPNN), được ứng dụng để nhận dạng sự cố và đưa ra quyết định sa thải phụ tải nhanh chóng, chính xác dựa trên các biến đầu vào như độ thay đổi công suất phát, tần số, điện áp, công suất tải và công suất phân bố trên đường dây truyền tải. Các khái niệm chuyên ngành bao gồm: sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS), sa thải phụ tải thông minh (ILS), rơle dưới tần số (Relay 81), và thuật toán phân tích thứ bậc (AHP).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ mô phỏng offline trên hệ thống chuẩn IEEE 39 bus - 10 máy phát bằng phần mềm PowerWorld, với 189 mẫu dữ liệu gồm 21 mức tải từ 80% đến 100% và 9 trường hợp sự cố máy phát. Dữ liệu đầu vào gồm các biến: ∆PG (độ thay đổi công suất phát), ∆fbus (độ thay đổi tần số tại các bus), ∆Vbus (độ sụt điện áp tại các thanh góp), ∆Pload (độ thay đổi công suất tải), và ∆Pbranch (độ thay đổi công suất phân bố trên đường dây). Dữ liệu được chia thành tập huấn luyện (85%) và tập kiểm tra (15%). Phương pháp phân tích sử dụng mạng nơ-ron lan truyền ngược với thuật toán huấn luyện Scaled Conjugate Gradient nhằm tối ưu thời gian và độ chính xác. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 03/2018 đến 03/2019, bao gồm các bước: tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng thu thập dữ liệu, huấn luyện mạng nơ-ron, và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm công suất sa thải: Phương pháp sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp giảm lượng công suất sa thải xuống còn 628 MW, giảm 347.3 MW (35%) so với phương pháp truyền thống dựa trên relay sa thải tần số thấp (975.75 MW) và giảm 157.2 MW (25%) so với phương pháp dựa trên thuật toán AHP (785.157 MW).

  2. Thời gian phục hồi tần số nhanh hơn: Thời gian phục hồi tần số của phương pháp đề xuất là 35 giây, nhanh hơn 85.7% so với phương pháp truyền thống (240 giây) và nhanh hơn 34.3% so với phương pháp AHP (47 giây).

  3. Giá trị tần số phục hồi cao hơn: Tần số phục hồi đạt 60.03 Hz, cao hơn so với phương pháp truyền thống và AHP, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trong giới hạn cho phép.

  4. Phục hồi điện áp nhanh và ổn định: Phương pháp sa thải theo khoảng cách điện áp có thời gian phục hồi điện áp nhanh hơn 40.6% so với phương pháp truyền thống và 12.5% so với phương pháp AHP, với độ thay đổi điện áp phục hồi chỉ 0.17%, thấp hơn nhiều so với 3.65% và 2.4% của hai phương pháp còn lại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội là do phương pháp đề xuất sử dụng lý thuyết khoảng cách điện áp để xác định chính xác vị trí và thứ tự ưu tiên sa thải tải, tập trung vào các tải gần máy phát bị sự cố nhất, từ đó giảm thiểu công suất sa thải không cần thiết. Việc ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo giúp nhận dạng sự cố nhanh chóng và chính xác, rút ngắn thời gian phản ứng của hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng relay tần số thấp hoặc thuật toán AHP, phương pháp này giảm thiểu được sự sa thải quá mức và tăng tốc độ phục hồi tần số, điện áp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số hệ thống, đồ thị điện áp tại các thanh góp và bảng so sánh công suất sa thải, thời gian phục hồi, giá trị tần số phục hồi để minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng phương pháp sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp: Các công ty điện lực nên tích hợp phương pháp này vào hệ thống điều khiển khẩn cấp để giảm thiểu công suất sa thải và rút ngắn thời gian phục hồi tần số, ưu tiên thực hiện trong vòng 12 tháng tới.

  2. Phát triển hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực: Đầu tư vào hệ thống đo lường và truyền dữ liệu nhanh nhằm đảm bảo thời gian phản ứng sa thải phụ tải không vượt quá 300 ms, do các thiết bị hiện đại có thể đáp ứng yêu cầu này.

  3. Huấn luyện và nâng cao năng lực cho đội ngũ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mạng nơ-ron nhân tạo và lý thuyết khoảng cách điện áp cho kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng và xử lý sự cố.

  4. Nghiên cứu mở rộng và tích hợp với các phương pháp điều khiển thông minh khác: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học tiếp tục phát triển các thuật toán kết hợp giữa mạng nơ-ron và các công nghệ trí tuệ nhân tạo khác để nâng cao hiệu quả sa thải phụ tải, dự kiến trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và đơn vị vận hành hệ thống điện: Giúp cải thiện quy trình điều khiển khẩn cấp, giảm thiểu thiệt hại do mất điện và nâng cao độ ổn định hệ thống.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên cao học chuyên ngành điện – điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo về ứng dụng mạng nơ-ron và lý thuyết khoảng cách điện áp trong điều khiển hệ thống điện.

  3. Các nhà phát triển phần mềm và thiết bị điều khiển tự động: Hỗ trợ phát triển các công cụ tính toán và hệ thống điều khiển thông minh dựa trên mô hình mạng nơ-ron và dữ liệu thực tế.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn và quy định về an toàn, ổn định hệ thống điện quốc gia, đặc biệt trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp là gì?
    Phương pháp này tính toán khoảng cách điện áp giữa máy phát bị sự cố và các tải, ưu tiên sa thải các tải gần nhất để nhanh chóng ổn định hệ thống. Ví dụ, tải gần máy phát sự cố sẽ bị cắt trước nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến toàn hệ thống.

  2. Mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Mạng nơ-ron lan truyền ngược (BPNN) được huấn luyện trên dữ liệu mô phỏng để nhận dạng sự cố và xác định chiến lược sa thải phụ tải phù hợp, giúp ra quyết định nhanh và chính xác hơn so với phương pháp truyền thống.

  3. Phương pháp này có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    Phương pháp giảm được công suất sa thải không cần thiết khoảng 35%, rút ngắn thời gian phục hồi tần số hơn 85%, và cải thiện giá trị tần số, điện áp phục hồi, giúp hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả hơn.

  4. Thời gian phản ứng của hệ thống sa thải phụ tải là bao lâu?
    Thời gian sa thải phụ tải đề xuất là khoảng 300 ms, bao gồm đo lường, truyền dữ liệu, xử lý và tác động trip máy cắt, đảm bảo đáp ứng nhanh trong các tình huống khẩn cấp.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các hệ thống điện khác không?
    Có thể áp dụng cho các hệ thống điện có cấu trúc tương tự hoặc phức tạp hơn, đặc biệt là các hệ thống có nhiều máy phát và tải, với điều kiện có dữ liệu đầy đủ để huấn luyện mạng nơ-ron và tính toán khoảng cách điện áp.

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu và đề xuất thành công phương pháp sa thải phụ tải khẩn cấp dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược kết hợp lý thuyết khoảng cách điện áp, giúp duy trì ổn định hệ thống điện khi xảy ra sự cố mất máy phát.
  • Phương pháp giảm thiểu công suất sa thải khoảng 35% so với phương pháp truyền thống và rút ngắn thời gian phục hồi tần số hơn 85%.
  • Kết quả mô phỏng trên hệ thống chuẩn IEEE 39 bus - 10 máy phát cho thấy hiệu quả vượt trội về tần số và điện áp phục hồi.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ hỗ trợ cho các công ty điện lực và nhà nghiên cứu trong việc nâng cao độ tin cậy hệ thống điện.
  • Đề xuất triển khai áp dụng trong thực tế và tiếp tục nghiên cứu mở rộng tích hợp các công nghệ điều khiển thông minh trong tương lai.

Hãy áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả vận hành và ổn định hệ thống điện của bạn ngay hôm nay!