Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Động cơ và mục tiêu. Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được kết nối với nhau tạo thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.[1] Hệ thống điện phát triển không ngừng theo thời gian, mở rộng theo không gian và ngày càng trở nên phức tạp. Do tính chất phức tạp của hệ thống nên hệ thống có rất nhiều trạng thái xảy ra, mỗi trạng thái người ta gọi là một chế độ của hệ thống. [1] Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, các chế độ của hệ thống điện được chia thành hai loại chính là chế độ xác lập và chế độ quá độ.
Chế độ xác lập là chế độ mà các thông số không thay đổi hoặc trong một khoảng thời gian tương đối ngắn thì nó chỉ biến thiên với một lượng nhỏ. Chế độ xác lập là những chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống hoặc những chế độ làm việc sau sự cố. Ngoài các chế độ xác lập trong hệ thống còn diễn ra chế độ quá độ, đó là những chế độ làm việc trung gian khi chuyển từ chế độ xác lập này đến chế độ xác lập khác. Phân tích các chế độ xác lập được gọi là phân tích trạng thái tĩnh còn phân tích các chế độ quá độ được gọi là phân tích trạng thái động của hệ thống.[3] Nghiên cứu an toàn hệ thống điện là nghiên cứu các trạng thái vận hành hệ thống và giới hạn của của các tham số để hệ thống vẫn đảm bảo an toàn trước những sự cố ngẫu nhiên mà không bị vi phạm các giới hạn của hệ thống hoặc không phải sa thải bất kỳ phụ tải nào.
Từ sự cạnh tranh trong cung cấp điện dẫn đến chi phí dự trữ an toàn ngày càng giảm. Tổ chức OFGEM (Office -6- ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN of Gas and Electricity Markets-Anh) đã đặt câu hỏi liệu các tiêu chuẩn thường dùng trong sản xuất và tiêu thụ điện có phù hợp với mức an toàn không? Như ta đã biết nếu nguồn cung cấp không đủ công suất thì sẽ làm giảm tần số hệ thống hoặc phải sa thải phụ tải. Giá trị của độ an toàn được tính thông qua những tổn thất mà khách hàng hứng chịu khi phụ tải của họ bị sa thải. Những lợi ích của việc giữ an toàn hệ thống chỉ có thể được đánh giá thông qua xác suất, xác suất này được nghiên cứu nhằm mục đích bảo vệ hệ thống chống lại các trạng thái ngẫu nhiên xảy ra trên hệ thống mà không được cảnh báo trước.
Các tiêu chuẩn về an toàn được đưa ra vào năm 1994 bởi NGT (National Grid Transco-Anh) là những tiêu chuẩn an toàn theo kinh nghiệm truyền thống, trong một vài trường hợp, kết quả tìm được có thể rất dư thừa và lãng phí. Trong nhiều trường hợp khác, những tiêu chuẩn này vẫn đủ chính xác để ngăn những sự cố nguy hiểm bất ngờ xảy ra với hệ thống. An toàn hệ thống điện là thuật ngữ thường được dùng để chỉ khả năng của hệ thống có thể chống lại được những sự cố không được dự báo trước nhưng không thể tránh được, chẳng hạn như việc cắt điện đột ngột của đường dây truyền tải do những sự cố bất ngờ trên đường dây truyền tải hoặc sự cố của một nhà máy điện quan trọng do một hỏng hóc về cơ khí. Điện năng rất quan trọng trong đời sống hàng ngày và trong các hoạt động về sản xuất của nền kinh tế vì thế hệ thống điện phải được kiểm tra giám sát một cách chặt chẽ để hệ thống luôn nằm trong giới hạn an toàn.
Tiêu chuẩn an toàn tiền định cổ điển được sử dụng để đánh giá mức an toàn của hệ thống. Một hệ thống điện được gọi là “chắc chắn” nếu nó đáp ứng được tiêu chuẩn an toàn tiền định, tức là hệ thống vận hành mà không vi phạm giới hạn nào trong tất cả các trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống. Trạng thái ngẫu nhiên được định nghĩa như là sự cố của một phần tử trong hệ thống hoặc của hai phần tử liên kết với nhau. An toàn hệ thống được kiểm tra và sử -7- ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN dụng bằng những công cụ phân tích các trạng thái ngẫu nhiên, những công cụ này mô phỏng các tác động của mỗi trạng thái ngẫu nhiên lên hệ thống bằng cách sử dụng các chương trình phân tính hệ thống.
Chương trình phân tích hệ thống tính toán dòng công suất, ổn định điện áp của các trạng thái. Ý tưởng của phương pháp tiền định là nghiên cứu an toàn để tránh những sự cố dây chuyền dẫn đến những sự cố lớn xảy ra bất ngờ. Chẳng hạn, một đường dây bị sự cố cắt ra dẫn đến sự quá tải của một đường dây khác, đường dây này cũng có khả năng bị cắt theo , đây là lý do gây ra những sự cố tiếp theo và có thể gây ra mất nhiều tải hoặc gây sụp đổ hệ thống. Tiêu chuẩn tiền định thực hiện đơn giản nhưng đây không phải là giải pháp tối ưu về kinh tế.
Trong một số trường hợp thì chúng hiệu quả ở một mức an toàn và nó có thể ngăn ngừa được phải cắt điện của các phụ tải. Trong trường hợp khác, chẳng hạn như trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt thì tiêu chuẩn tiền định lại không phản ánh đúng mức độ nguy hiểm của những sự cố chính. Ý tưởng của phân tích an toàn theo xác suất vượt ra khỏi quan niệm về những trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống dẫn đến những sự kiện không mong muốn. Nếu chúng ta không tự giới hạn các trạng thái ngẫu nhiên có thể xảy ra thì trạng thái của hệ thống không thể được xem là an toàn hay không an toàn bởi vì hầu hết những sự cố ngẫu nhiên kết hợp với nhau sẽ là lý do dẫn đến những vi phạm về giới hạn trong vận hành.
Những tác động để ngăn chặn những vi phạm cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến những sự cố không mong muốn. Để ngăn chặn hoàn toàn những sự cố trên là điều không thể bởi vì điều đó sẽ dẫn đến giá thành cung cấp rất cao. Nói một cách khác là không thể đảm bảo hệ thống sẽ chống lại tất cả những sự cố có thể xảy ra. Một cách đo độ an toàn khác phải được chấp nhận nếu chúng ta muốn nghiên cứu rộng hơn về những trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống điện.
-8- ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1. Những thành tựu và kết luận của các nghiên cứu trước. Công trình nghiên cứu “Một phương pháp tính toán giá trị an toàn trong vận hành hệ thống điện” đặt nền móng bởi Prof. Daniel Kirschen vào năm 1997, công trình này cũng được xem như là “công trình đầu tiên”.
Bell đã phát triển phần mềm sử dụng cho phương pháp tính toán. Tiếp theo Dr. Rios đã phát triển thêm phần mềm này và ứng dụng nó vào mô hình của hệ thống điện NGT (National Grid Transco) ở Anh. Sau đây là những thành tựu và kết quả của công trình này đạt được.
• Đã có những phương pháp đánh giá thiệt hại của các sự cố trong hệ thống điện bằng những công cụ phần mềm. Công cụ này được sử dụng để lập phương thức vận hành hệ thống, nó được thực hiện và phát triển dựa trên mô phỏng Monte Carlo. Công cụ này được gọi là công cụ tính toán giá trị an toàn (VaSA-Value of Security Assessor). VaSA được thử nghiệm thành công trên hệ thống NGT (Anh).
Kết quả của cuộc thử nghiệm là mang tính tích cực. • Phát triển mô hình gồm năm “ trạng thái thời tiết”. Một trong những trạng thái này là trạng thái “thời tiết bình thường” (ví dụ, thời tiết tốt) trong khi bốn trạng thái còn lại tương ứng với những trạng thái mà có số sự cố trung bình lớn hơn mức bình thường. Những cuộc thử nghiệm đã chỉ ra rằng những trạng thái thời tiết xấu không ảnh hưởng lớn đến sự lựa chọn các phương thức vận hành.
• Trong VaSA đã trình bày những công thức cơ bản về mô phỏng hệ thống và những tác động hiệu chỉnh trong vận hành. Các phương pháp để mô tả xác suất của các sự cố gây ra cắt dây chuyền hoặc gây ra sự cố cắt một hay nhiều thiết bị không cần thiết khi thiết bị lân cận bị sự cố. VaSA có khả năng tính toán giá trị an toàn không những cho một trạng thái tức thì hệ thống mà còn có khả năng tính toán phương thức vận hành trong cả ngày và tính toán được thời gian xử lý của người vận hành. -9- ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.3 Mục đích của nghiên cứu.
Ta thấy vấn đề an toàn cho hệ thống điện ngày càng đặt ra bức thiết để giải quyết các vấn đề về kinh tế và kỹ thuật cho hệ thống. Vì vậy trong đồ án này đã đi sâu nghiên cứu các vấn đề an toàn của hệ thống: - Phần đầu của luận văn nghiên cứu những lý thuyết chung về an toàn hệ thống. Phần này giới thiệu các khái niệm cũng như sự phân loại về an toàn và các yếu tố tác động đến an toàn hệ thống. Ở phần này cũng đưa ra hai phương pháp phân tích sự cố hệ thống điện đó là phương pháp phân tích độ nhạy và phương pháp dòng tải AC.
- Phần tiếp theo của luận văn đưa ra những phương pháp đánh giá an toàn trong hệ thống điện. Sử dụng phương pháp tiền định và phương pháp xác suất để đánh giá an toàn tĩnh (chế độ xác lập), an toàn động (chế độ quá độ) và đánh giá độ rủi ro xảy ra trong hệ thống điện. Tiếp theo luận văn trình bày những đánh giá về kinh tế của an toàn hệ thống điện, các chi phí tính toán khi mất an toàn và các tiêu chuẩn đánh giá về kinh tế trong vận hành. - Phần cuối của luận văn đã áp dụng tính toán an toàn điện áp cho lưới điện truyền tải 220kV của Việt Nam năm 2004 ở các chế độ phụ tải cực đại, phụ tải cực tiểu và chế độ phụ tải cực đại buổi sáng.
Trong phần này cũng giới thiệu về chương trình tính toán phân tích lưới điện PSS/E 29. - 10 - ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chương 2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ AN TOÀN 2.1 Giới thiệu chung về an toàn hệ thống điện. Ngày nay mối quan tâm chính của chúng ta vẫn là vận hành tối ưu kinh tế hệ thống điện. Một yếu tố quan trọng trong vận hành hệ thống điện chính là an toàn hệ thống.