Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải trong hệ thống điện

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải trong hệ thống điện, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: ThS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện – Điện Tử
• Đề tài: Cải Tiến Phương Pháp Điều Khiển Khẩn Cấp Sa Thải Phụ Tải Trong Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3.2. Cách tiếp cận
• 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN KHẨN CẤP SA THẢI PHỤ TẢI HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Sa thải phụ tải
• 2.2. Sơ đồ liên động máy cắt
• 2.3. Sa thải phụ tải sử dụng Rơ-le dưới tần số truyền thống (UFLS) (Relay 81)
• 2.4. Sa thải phụ tải sử dụng Relay dưới tần số sử dụng tốc độ thay đổi tần số (df/dt)
• 2.5. Sa thải phụ tải thông minh (ILS – Intelligent Load Shedding)
• 2.6. Sơ đồ khối chức năng của ILS
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI ĐỀ XUẤT
• 3.1. Khoảng cách điện theo điện áp
• 3.2. Xây dựng chương trình sa thải phụ tải
• 3.3. Nhận dạng sự cố theo phương pháp ANN
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT THỬ NGHIỆM TRÊN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN CHUẨN IEEE 39-BUS 10 MÁY PHÁT
• 4.1. Tính toán khoảng cách điện áp
• 4.2. So sánh với các phương pháp sa thải phụ tải khác
• 4.2.1. So sánh với phương pháp STPT dùng relay sa thải tần số thấp
• 4.2.2. So sánh với phương pháp sa thải dựa trên thuật toán AHP
• 4.3. Phương pháp sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp
• 4.4. Huấn luyện mạng neural
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng nghiên cứu phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải Tổng quan và thực trạng

Phần này tập trung vào điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải, một vấn đề then chốt trong bảo vệ an toàn hệ thống điện. Nghiên cứu chỉ ra rằng, sự cố mất máy phát công suất lớn gây mất ổn định tần số, đe dọa toàn bộ hệ thống. Sa thải phụ tải là giải pháp hiệu quả, giúp khôi phục cân bằng phụ tải. Tuy nhiên, việc lựa chọn phụ tải hệ thống điện nào để sa thải, thời gian sa thải và lượng công suất cần sa thải đòi hỏi tính toán chính xác, kịp thời. Nhiều phương pháp hiện có như sử dụng rơ-le dưới tần số truyền thống (UFLS), sa thải phụ tải thông minh (ILS), hay dựa trên thuật toán AHP. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng. Các nghiên cứu trong và ngoài nước tập trung vào việc cải tiến thuật toán, tăng tốc độ phản hồi, giảm thiểu mất điện. Phương pháp điều khiển hệ thống điện hiện đại tích hợp AI, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), và thuật toán tối ưu đang được nghiên cứu rộng rãi.

1.1. Phân tích các phương pháp sa thải phụ tải hiện hành

Nhiều phương pháp sa thải phụ tải tự động đã được nghiên cứu và áp dụng. Phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) dựa trên ngưỡng tần số, đơn giản nhưng có thể gây sa thải quá mức. Sa thải phụ tải thông minh (ILS) sử dụng các thông tin trạng thái hệ thống, cho phép sa thải chính xác hơn nhưng phức tạp hơn. Thuật toán AHP hỗ trợ ra quyết định trong việc lựa chọn phụ tải cần sa thải dựa trên các tiêu chí ưu tiên. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được ứng dụng để dự đoán sự cố và đưa ra quyết định sa thải nhanh chóng. Mô hình hóa hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của từng phương pháp. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số, giảm thiểu mất điện, và nâng cao độ tin cậy hệ thống điện. Việc phân tích hệ thống điện chi tiết, kết hợp với mô phỏng, là cần thiết để đánh giá hiệu quả thực tế của các phương pháp.

1.2. Thách thức và hướng phát triển

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ, việc điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải vẫn đối mặt nhiều thách thức. Thời gian phản hồi của hệ thống cần được rút ngắn để giảm thiểu ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Độ chính xác của việc xác định phụ tải cần sa thải cần được cải thiện. Sự gia tăng nguồn năng lượng tái tạo làm cho ổn định hệ thống điện trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn. Việc tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển thông minh là cần thiết. Nghiên cứu hướng tới việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, tự học, thích ứng với các điều kiện vận hành thay đổi. Ứng dụng AI và học máy trong lĩnh vực này đang được chú trọng, nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy hệ thống điện.

II. Cải tiến phương pháp điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải

Phần này trình bày phương pháp cải tiến. Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới dựa trên khoảng cách điện theo điện áp giữa máy phát sự cố và phụ tải. Phương pháp này ưu tiên sa thải phụ tải gần điểm sự cố, giúp giảm thiểu tác động đến toàn hệ thống. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được sử dụng để nhận dạng sự cố và đưa ra quyết định sa thải nhanh chóng. Kết quả mô phỏng trên hệ thống chuẩn IEEE 39 bus cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất. So sánh phương pháp với các phương pháp truyền thống cho thấy sự cải thiện đáng kể về thời gian phản hồi và hiệu quả điều khiển. Phương pháp này được đánh giá là có khả năng ứng dụng thực tiễn cao, góp phần nâng cao an ninh năng lượng.

2.1. Mô hình toán học và thuật toán

Mô hình toán học dựa trên phân tích hệ thống điện và lý thuyết khoảng cách điện áp. Thuật toán được xây dựng dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo (ANN). Dữ liệu huấn luyện cho mạng nơ-ron bao gồm các thông số trạng thái hệ thống như điện áp, tần số, công suất. Thuật toán điều khiển được thiết kế để tối ưu hóa quá trình sa thải phụ tải. Thiết kế hệ thống điện cần tối ưu hóa cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Phân tích rủi ro hệ thống điện là rất quan trọng. Việc xây dựng mô hình hồi quy tổng quát (GRNN) giúp dự đoán chính xác hơn lượng phụ tải cần sa thải. Cải tiến thuật toán tập trung vào việc tăng tốc độ hội tụ và giảm sai số dự đoán.

2.2. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng trên hệ thống chuẩn IEEE 39 bus cho thấy phương pháp đề xuất có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Thời gian phản hồi được rút ngắn, giảm thiểu sự cố mất điện. Độ chính xác của việc sa thải phụ tải được cải thiện đáng kể. Phân tích kết quả tập trung vào việc đánh giá các thông số quan trọng như tần số, điện áp, công suất. So sánh phương pháp với các phương pháp khác cho thấy ưu điểm vượt trội. Đánh giá hiệu suất hệ thống được thực hiện dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật. Việc triển khai hệ thống điều khiển cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao. Phương pháp đề xuất có thể được áp dụng trong các hệ thống điện thực tế để cải thiện khả năng bảo vệ hệ thống điện. Giảm thiểu mất điện, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các công ty điện lực, các đơn vị nghiên cứu. Hệ thống giám sát và điều khiển cần được tích hợp để tối ưu hóa hiệu quả của phương pháp. Nghiên cứu điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải cần tiếp tục được đẩy mạnh, hướng tới việc phát triển các công nghệ tiên tiến hơn. Ứng dụng AI trong điều khiển hệ thống điện thông minh mang lại nhiều triển vọng.

3.1. Khả năng áp dụng và chuyển giao công nghệ

Phương pháp đề xuất có thể được triển khai trong các hệ thống điện thực tế. Chuyển giao công nghệ có thể được thực hiện thông qua hợp tác với các công ty điện lực. Huấn luyện nhân lực là cần thiết để đảm bảo việc vận hành và bảo trì hệ thống. Việc đánh giá hiệu quả kinh tế của việc áp dụng phương pháp là rất quan trọng. Hệ thống giám sát thời gian thực cần được tích hợp. Hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên dữ liệu thời gian thực giúp tăng hiệu quả vận hành. Việc tối ưu hóa chi phí là rất quan trọng.

3.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu cần được mở rộng để xem xét ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo. Tối ưu hóa thuật toán để giảm thiểu thời gian phản hồi. Tích hợp các công nghệ tiên tiến như AI và học máy. Nghiên cứu sâu hơn về an ninh năng lượng. Phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn. Nghiên cứu về phục hồi hệ thống điện sau sự cố. Đánh giá tác động môi trường của phương pháp. Phát triển giao diện người dùng thân thiện cho hệ thống điều khiển.

Nội dung chính

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!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài và các công trình nghiên cứu. Chương 2: Tìm hiểu các phương pháp áp dụng trong sa thải phụ tải để giữ ổn định hệ thống điện Chương 3: Đề xuất cải tiến phương pháp điều khiển khẩn cấp sa thải phụ tải để giữ ổn định hệ thống điện Chương 4: Khảo sát, thử nghiệm nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất. Thử nghiệm chương trình sa thải tải trên hệ thống 39 thanh góp và 10 máy phát điện bằng phần mềm Powerworld để mô phỏng, lấy mẫu dữ liệu nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất. Chương 5: Kết luận Trình bày các kết quả đạt được trong đề tài, và hướng nghiên cứu phát triển của đề tài.

5 Luan van Chương 2 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN KHẨN CẤP SA THẢI PHỤ TẢI HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Sa thải phụ tải Trong các điều kiện vận hành khẩn cấp khi mà các thông số vượt ngoài quy chuẩn do nguyên nhân nào đó dẫn đến hậu quả lớn, sa thải phụ tải là biện pháp cắt phụ tải từ hệ thống điện, giữ cho phần còn lại của hệ thống vận hành ổn định. Sa thải phụ tải là biện pháp cuối cùng để chống lại sự nhiễu loạn của hệ thống do có sự chênh lệch giữa công suất phát và công suất tải, cũng như do tăng tải đột ngột mà khả năng dự trữ công suất của hệ thống không đáp ứng đủ. Việc phân loại các phương pháp sa thải phụ tải được trình bày ở Hình 2.1 Phân loại các phương pháp sa thải phụ tải 2.2 Sơ đồ liên động máy cắt Đây là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện sa thải phụ tải. Ví dụ, một máy cắt nguồn (máy cắt nối với lưới điện) sẽ được liên động bằng cách nối cứng hoặc qua tín hiệu từ xa với các máy cắt tải đã được chọn trước để cắt.

Vì lí do nào đó, một máy cắt máy phát bị mất, tín hiệu cắt sẽ tự động được gởi đến để cắt các máy cắt tải. Tốc 6 Luan van Chương 2 độ của sơ đồ này là rất nhanh do không đòi hỏi phải xử lí, và số lượng tải để sa thải đã được thực hiện trước khi có sự cố xảy ra. Sa thải phụ tải theo sơ đồ liên động máy cắt cũng có các nhược điểm sau:  Khó thay đổi mức độ ưu tiên tải do các hoạt động sa thải phụ tải đã được nối cứng dây và số lượng tải để sa thải đã được tính toán cho các kịch bản xấu nhất.  Chỉ có một mức sa thải phụ tải.

 Sa thải phụ tải quá mức cần thiết.  Hoạt động theo sơ đồ sa thải phụ tải loại này giống như việc ngắt toàn bộ hệ thống công nghiệp không theo một trật tự nào cả. Việc ngắt điện không theo kế hoạch này có thể dẫn đến hư hỏng, giảm tuổi thọ thiết bị.  Việc khởi động lại nhà máy có thể bị chậm trễ do yêu cầu phải ngắt nguồn và khởi động lại các nhà máy từ xa do ảnh hưởng bởi sự mất mát của nhà máy chính, trước khi nhà máy chính có thể được khởi động.3 Sa thải phụ tải sử dụng Rơle dưới tần số truyền thống (UFLS) (Relay 81) [9] Hình 2.2 Sơ đồ sa thải phụ tải dưới tần số sử dụng relay 81 Rơle tần số không phát hiện được các nhiễu loạn nhưng nó phản ứng lại với sự thay đổi tần số do các nhiễu loạn gây ra.

Nó phát hiện hoặc là thay đổi nhanh về 7 Luan van Chương 2 tần số hoặc sự suy giảm từ từ tần số và bắt đầu tác động theo từng mức của máy cắt liên động. Khi tần số đạt mức thứ nhất, R81 sẽ chờ một khoảng thời gian đặt trước để tránh cắt máy cắt không mong muốn và sau đó sẽ cắt một hoặc nhiều máy cắt tải để phục hồi tần số. Nếu tần số tiếp tục suy giảm, đến mức tiếp theo và sau khoảng thời gian trễ, R81 sẽ tác động mở các máy cắt tải khác cho đến khi tần số trở lại bình thường.  Sa thải phụ tải sử dụng rơle tần số truyền thống chủ yếu được sử dụng điều khiển hệ thống với các dạng tải tĩnh, nó có một số nhược điểm sau:  Thời gian đáp ứng chậm, do 2 nguyên nhân: Thứ nhất, cần có thời gian để tần số đạt đến ngưỡng cài đặt.

Thứ 2, thông thường sẽ cài đặt một khoảng thời gian trễ để cho rơle tránh các tác động không mong muốn do các xung nhọn và các sai lệch thoáng qua.  Sa thải phụ tải không đúng gây mất điện không mong muốn.4 Sa thải phụ tải sử dụng Relay dưới tần số sử dụng tốc độ thay đổi tần số (df/dt) [10] Gần đây, tốc độ thay đổi tần số (df/dt) được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng như bộ điều khiển bổ sung có thể thay đổi được để cải tiến UFLS. Trong vài phương pháp, các rơle dưới tần số được thiết lập dựa trên tốc độ ban đầu của thay đổi tần số. Nhiều sơ đồ UFLS đã điều chỉnh để hỗ trợ nâng cao tính năng bảo vệ, bao gồm: UFLS thích nghi sử dụng cả hai tần số tại chỗ và thông tin tần số định mức, UFLS động có thể điều chỉnh một cách linh động kích thước của mức sa thải phụ tải và các UFLS tối ưu hoá.5 Sa thải phụ tải thông minh (ILS - Intelligent Load Shedding) [11] Do những hạn chế của của các hệ thống sa thải phụ hiện có, một hệ thống ILS là cần thiết để nâng cao đáp ứng thời gian, dự đoán chính xác sự thay đổi tần số và đưa ra quyết định nhanh chóng, tối ưu và tin cậy.

Không như tính ngẫu nhiên đơn điệu của hệ thống sa thải phụ tải bằng các thiết bị bảo vệ, hệ thống ILS hiện đại có các tính năng sau:  Tạo ra cấu trúc và bộ xử lý của hệ thống điện để tự động phân tích và theo dõi sự thay đổi các thay đổi của hệ thống. 8 Luan van Chương 2  Có thể lập bản độ một hệ thống điện phi tuyến và rất phức tạp với giới hạn của các điểm dữ liệu thu thập đến không gian hữu hạn.  Tự động ghi nhớ cấu hình hệ thống, các điều kiện hoạt động như tăng hoặc giảm tải và đáp ứng của hệ thống khi có nhiễu loạn với tất cả các cấu hình hệ thống.  Biết trước các mô hình khác nhau để dự đoán đáp ứng của hệ thống cho các nhiễu loạn khác nhau.

 Sử dụng các cơ sở tri thức có sẵn trên cơ sở có thể huấn luyện được bởi người dùng xác định.  Thu được sự tự học thích nghi và tự động huấn luyện của cơ sở tri thức do hệ thống thay đổi.  Xác định ma trận hệ số tham gia của tải và máy phát (PFM).  Đưa ra quyết định nhanh chóng, chính xác và tin cậy trên tính ưu tiên phụ tải sa thải dựa trên trạng thái hiện tại của phụ tải ở mỗi máy cắt.

 Có thể tính toán sa thải một lượng tối thiểu phụ tải để duy trì sự ổn định và tần số danh định của hệ thống.  Sa thải tối ưu kết hợp giữ máy cắt tải với các mục tiêu đã xác định bằng việc sử dụng hết các kiến thức hệ thống.  Có thể xác nhận, hợp lí hóa tính logic và hoạt động của sơ đồ sa thải phụ tải trước khi đưa vào hoạt động. Ngoài các tính năng trên, hệ thống ILS phải có một cơ sở tri thức động.

Để một cơ sở tri thức đạt hiệu quả, nó phải có khả năng nắm bắt được các thông số chủ chốt trực tiếp tác động đến đáp ứng tần số hệ thống khi có nhiễu loạn. Những thông số này không có giới hạn, gồm có:  Công suất chuyển đổi giữa hệ thống và lưới điện trước và sau khi nhiễu loạn.  Máy phát khả dụng trước và sau khi nhiễu loạn.  Độ dữ trữ tại chỗ máy phát.

9 Luan van Chương 2  Các máy phát động tại chỗ, đặc biệt là tốc độ khởi động của các máy phát công suất tác dụng.  Các tình trạng nâng cấp và tải thực tế của mỗi tải có thể sa thải được.  Đặc tính động của tải hệ thống, bao gồm các máy quay, tải kháng không đổi, tải dòng điện không đổi, tải công suất không đổi, tải tần số phụ thuộc, và các loại tải khác.  Ma trận luồng công suất tham gia vào mô tả công suất tác dụng đóng góp từ mỗi máy phát đến mỗi trung tâm tải.

Thông tin quan trọng này sẽ cho phép xác định chính xác hiệu quả vị trí tải sa thải do thất thoát một bộ phận phát điện xác định. Một số yêu cầu bổ sung phải được đáp ứng trong quá trình thiết kế và điều chỉnh sơ đồ ILS:  Chọn lựa và cấu hình các trường hợp cơ sở tri thức một cách cẩn thận.  Có khả năng chuẩn bị và đưa ra đầy đủ các trường hợp huấn luyện cho hệ thống cơ sở tri thức để đảm bảo tính chính xác và hoàn chỉnh.  Có khả năng đảm bảo rằng hệ thống cơ sở tri thức là hoàn chỉnh, chính xác và được thử nghiệm.

 Có khả năng thêm các logic về định nghĩa người dùng.  Có khả năng thêm các hệ thống phụ thuộc.  Có một hệ thống giám sát trực tuyến có thể thu thập dữ liệu hệ thống theo thời gian thực một cách liên tục.  Có thể chạy chế độ dự phòng và dự đoán để tạo ra một bảng sa thải phụ tải động tương ứng với các thay đổi cấu hình của hệ thống và các nhiễu loạn định trước.

 Cung cấp một hệ thống điều khiển tại chỗ cho hệ thống điện với sự giám sát của hệ thống ILS. 10 Luan van Chương 2 2.6 Sơ đồ khối chức năng của ILS Hình 2.3 Sơ đồ khối chức năng của một ILS Trong hình 2.3, ILS là sự huấn luyện cơ sở tri thức sử dụng các trường hợp cơ sở tri thức đã được lựa chọn một cách cẩn thận từ các hệ thống học và mô phỏng ngoại tuyến. Các đáp ứng động của hệ thống bao gồm sự thay đổi về tần số và điện áp do các nhiễu loạn khác nhau là một trong các đầu ra của cơ sở tri thức. ILS chạy trên nền một hệ thống giám sát tiên tiến, liên tục theo dõi các điều kiện hoạt động của hệ thống, bao gồm các máy phát, phụ tả, và trạng thái máy cắt.