Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải điện (HTĐ) 220 kV miền Bắc là một phần quan trọng của hệ thống điện quốc gia, với công suất cực đại đạt khoảng 4000 MW đến 4400 MW và sản lượng trung bình ngày khoảng 75 triệu kWh tính đến quý III năm 2008. Tốc độ tăng trưởng công suất cực đại trung bình hàng năm dao động từ 10% đến 12%, trong khi sản lượng điện tăng từ 13% đến 17% mỗi năm. Cơ cấu nguồn điện miền Bắc chủ yếu dựa vào thủy điện chiếm khoảng 55%, dẫn đến sự phụ thuộc lớn vào yếu tố mùa vụ. Phụ tải công nghiệp chiếm 40%, sinh hoạt 38%, nông nghiệp 14%, còn lại là các phụ tải khác. Phân bố phụ tải không đồng đều, tập trung tại các thành phố lớn và khu công nghiệp, gây ra quá tải cục bộ trên một số đường dây và máy biến áp (MBA).

Với nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, việc đảm bảo tính ổn định, an toàn và hiệu quả vận hành HTĐ miền Bắc trở nên cấp thiết. Một trong những thách thức lớn là tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ trên lưới điện 220 kV, nhằm phát hiện và loại trừ chính xác các sự cố, tránh ảnh hưởng lan rộng và giảm thiểu thời gian mất điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá tính chọn lọc của hệ thống rơle bảo vệ trên HTĐ 220 kV miền Bắc bằng phần mềm mô phỏng ASPEN Oneliner, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ, đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy cho hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào HTĐ 220 kV miền Bắc, với dữ liệu và mô phỏng dựa trên thực trạng vận hành đến năm 2008. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ mô phỏng hiện đại để kiểm tra, đánh giá và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu thiệt hại do sự cố gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật điện và bảo vệ hệ thống điện, bao gồm:

  • Mô hình các phần tử cơ bản của HTĐ: Đường dây trên không, cáp, máy biến áp hai và ba cuộn dây, máy phát điện, phụ tải và thiết bị bù được mô phỏng bằng các sơ đồ tương đương chuẩn như nhánh chuẩn, sơ đồ hình Γ, sơ đồ Thevenin, với các thông số điện trở, điện kháng và điện dung phù hợp từng thành phần.

  • Lý thuyết dòng điện thứ tự: Sử dụng các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không để mô phỏng chế độ sự cố ngắn mạch, giúp phân tích chính xác dòng điện và điện áp trong các tình huống sự cố khác nhau.

  • Nguyên lý và đặc tính bảo vệ: Tập trung vào các loại rơle bảo vệ có tính chọn lọc tương đối như bảo vệ quá dòng (quá dòng pha, quá dòng thứ tự không, quá dòng thứ tự nghịch) và bảo vệ khoảng cách, với các đặc tính làm việc đa dạng (đặc tính thời gian độc lập, đặc tính IEC, đặc tính MHO, đặc tính đa giác).

  • Phương pháp mô phỏng và tính toán ngắn mạch: Sử dụng ma trận tổng dẫn (Y) và ma trận tổng trở (Z) trong không gian pha và thành phần thứ tự để mô phỏng trạng thái đóng cắt thiết bị, tính toán dòng điện ngắn mạch và đánh giá tác động của các thiết bị bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm ASPEN Oneliner để mô phỏng HTĐ 220 kV miền Bắc và hệ thống rơle bảo vệ. Các bước thực hiện bao gồm:

  • Thu thập dữ liệu thực tế: Dữ liệu về công suất các nhà máy điện, phụ tải, sơ đồ kết dây, thông số kỹ thuật của đường dây, MBA, máy phát và thiết bị bảo vệ được thu thập từ hệ thống vận hành đến quý III năm 2008.

  • Mô hình hóa hệ thống: Xây dựng mô hình HTĐ miền Bắc trong ASPEN Oneliner với các phần tử cơ bản được mô phỏng theo lý thuyết đã nêu, bao gồm các tổ đấu dây MBA, đặc tính phụ tải, và các thông số ngắn mạch.

  • Mô phỏng thiết bị bảo vệ: Thiết lập các đường đặc tính bảo vệ quá dòng và bảo vệ khoảng cách dựa trên thư viện của phần mềm hoặc tự xây dựng theo biểu thức toán học phù hợp với các loại rơle đang sử dụng trên lưới.

  • Phân tích tính chọn lọc: Thực hiện các bài toán tính toán chỉnh định rơle bảo vệ, kiểm tra phối hợp và tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ trên các mạch vòng điển hình, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như hệ số phân bố dòng điện và đặc tính thời gian của rơle.

  • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2008, tập trung vào dữ liệu và thực trạng vận hành HTĐ miền Bắc thời điểm đó.

Phương pháp chọn mẫu là sử dụng toàn bộ dữ liệu vận hành và thiết bị bảo vệ trên HTĐ 220 kV miền Bắc, đảm bảo tính đại diện và độ chính xác cao cho kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng và bảo vệ khoảng cách trên HTĐ 220 kV miền Bắc còn hạn chế: Qua mô phỏng trên ASPEN Oneliner, nhiều rơle bảo vệ quá dòng sử dụng đặc tính thời gian độc lập, không phù hợp với đặc điểm vận hành phức tạp của lưới điện miền Bắc. Ví dụ, bảo vệ quá dòng có đặc tính thời gian độc lập chiếm phần lớn, trong khi các rơle số hiện đại với đặc tính thời gian phụ thuộc chưa được áp dụng rộng rãi.

  2. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến bảo vệ khoảng cách: Nghiên cứu cho thấy hệ số phân bố dòng điện có tác động đáng kể đến độ chính xác và tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách. Khi hệ số này thay đổi, vùng bảo vệ của rơle có thể bị sai lệch, dẫn đến khả năng tác động sai hoặc không tác động khi có sự cố.

  3. Khó khăn trong phối hợp chỉnh định do đa dạng chủng loại rơle: Trên HTĐ miền Bắc hiện có sự đa dạng về chủng loại rơle bảo vệ (Siemens, ABB, Areva, SEL, rơle cơ Liên Xô cũ, rơle Trung Quốc), gây phức tạp cho công tác vận hành và tính toán chỉnh định. Việc phối hợp các rơle có đặc tính khác nhau làm giảm hiệu quả bảo vệ và tăng nguy cơ mất chọn lọc.

  4. Ưu điểm của phần mềm ASPEN Oneliner trong mô phỏng và kiểm tra tính chọn lọc: Phần mềm cho phép mô phỏng chính xác các phần tử HTĐ và thiết bị bảo vệ, hỗ trợ xây dựng các đường đặc tính bảo vệ phù hợp, từ đó kiểm tra và điều chỉnh chỉnh định rơle bảo vệ hiệu quả. So với phương pháp thủ công, ASPEN Oneliner giúp giảm thời gian tính toán và tăng độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phản ánh thực trạng vận hành và bảo vệ trên HTĐ 220 kV miền Bắc, nơi mà nhiều thiết bị bảo vệ vẫn sử dụng công nghệ cũ, đặc biệt là các rơle cơ với đặc tính thời gian độc lập. Điều này không phù hợp với cấu trúc lưới điện phức tạp, có nhiều mạch vòng và phụ tải không đồng đều, dẫn đến khó khăn trong việc đảm bảo tính chọn lọc và độ tin cậy của hệ thống bảo vệ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại như ASPEN Oneliner đã được chứng minh là phương pháp hiệu quả để kiểm tra và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ. Việc mô phỏng các đặc tính bảo vệ và phối hợp chỉnh định giúp giảm thiểu sai sót do tính toán thủ công và tăng khả năng phát hiện chính xác sự cố.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian tác động của các loại rơle bảo vệ với đặc tính thời gian độc lập và phụ thuộc, cũng như bảng tổng hợp các tổ hợp chỉnh định rơle trên các mạch vòng điển hình. Biểu đồ phụ tải ngày và biểu đồ phân bố dòng điện cũng minh họa rõ ảnh hưởng của phụ tải và hệ số phân bố dòng đến hiệu quả bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và đồng bộ hóa hệ thống rơle bảo vệ: Thay thế các rơle cơ cũ bằng các rơle số hiện đại có đặc tính thời gian phụ thuộc, giúp nâng cao tính chọn lọc và độ tin cậy của hệ thống bảo vệ. Chủ thể thực hiện là Tổng công ty Điện lực miền Bắc, với lộ trình 3-5 năm.

  2. Áp dụng rộng rãi phần mềm mô phỏng ASPEN Oneliner trong công tác thiết kế và vận hành: Đào tạo nhân lực vận hành và kỹ thuật viên sử dụng phần mềm để kiểm tra, chỉnh định và đánh giá hệ thống bảo vệ định kỳ, đảm bảo hiệu quả và kịp thời phát hiện sai sót. Thời gian triển khai trong 1-2 năm.

  3. Xây dựng quy trình phối hợp chỉnh định rơle bảo vệ chuẩn hóa: Thiết lập các tiêu chuẩn và quy trình phối hợp chỉnh định rơle bảo vệ phù hợp với đặc điểm vận hành của HTĐ miền Bắc, giảm thiểu sự đa dạng không cần thiết về chủng loại thiết bị. Chủ thể là Ban kỹ thuật EVN và các đơn vị vận hành.

  4. Tăng cường đầu tư nâng cấp hạ tầng lưới điện và thiết bị đo đếm: Cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào cho mô phỏng, bao gồm lắp đặt máy biến dòng, máy biến áp điện áp hiện đại, đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng và vận hành. Lộ trình 5 năm, phối hợp giữa EVN và các nhà đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện: Nắm bắt kiến thức về mô hình hóa HTĐ và phương pháp kiểm tra tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ, áp dụng trong công tác vận hành và xử lý sự cố.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Hiểu rõ thực trạng và giải pháp nâng cao độ tin cậy hệ thống điện, từ đó xây dựng các chính sách đầu tư và phát triển phù hợp.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa hệ thống điện, lý thuyết bảo vệ và ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại trong nghiên cứu và giảng dạy.

  4. Nhà cung cấp và phát triển phần mềm kỹ thuật điện: Tham khảo các yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống bảo vệ trên lưới điện Việt Nam, từ đó phát triển hoặc cải tiến các giải pháp phần mềm phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần đánh giá tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ trên lưới điện?
    Tính chọn lọc giúp thiết bị bảo vệ chỉ tác động đúng phần tử bị sự cố, tránh ngắt điện diện rộng không cần thiết, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Ví dụ, bảo vệ quá dòng phải phối hợp thời gian để chỉ cắt đúng đoạn có sự cố.

  2. Phần mềm ASPEN Oneliner có ưu điểm gì so với phương pháp thủ công?
    ASPEN Oneliner mô phỏng chính xác các phần tử và thiết bị bảo vệ, giảm sai sót tính toán, tiết kiệm thời gian và cho phép kiểm tra nhiều kịch bản vận hành khác nhau. Ví dụ, mô phỏng mạch vòng phức tạp dễ dàng hơn nhiều so với tính tay.

  3. Các loại rơle bảo vệ nào được mô phỏng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu tập trung vào rơle bảo vệ quá dòng và bảo vệ khoảng cách có tính chọn lọc tương đối, vì đây là các loại phổ biến và có ảnh hưởng lớn đến tính chọn lọc trên HTĐ 220 kV miền Bắc.

  4. Ảnh hưởng của hệ số phân bố dòng điện đến bảo vệ khoảng cách là gì?
    Hệ số này ảnh hưởng đến dòng điện qua rơle, làm thay đổi vùng bảo vệ. Nếu không tính đúng, rơle có thể tác động sai hoặc không tác động khi có sự cố, gây mất chọn lọc.

  5. Làm thế nào để nâng cao tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ?
    Nâng cấp rơle số hiện đại, áp dụng phần mềm mô phỏng để chỉnh định chính xác, đồng bộ thiết bị và xây dựng quy trình phối hợp chỉnh định chuẩn hóa là các giải pháp hiệu quả.

Kết luận

  • HTĐ 220 kV miền Bắc có công suất lớn và phụ tải tăng nhanh, đòi hỏi hệ thống bảo vệ phải đảm bảo tính chọn lọc cao để vận hành an toàn.
  • Nhiều thiết bị bảo vệ hiện tại sử dụng đặc tính thời gian độc lập, chưa phù hợp với cấu trúc lưới phức tạp, gây khó khăn trong phối hợp chỉnh định.
  • Phần mềm ASPEN Oneliner là công cụ hiệu quả để mô phỏng HTĐ và kiểm tra tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ, giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy.
  • Cần thực hiện nâng cấp thiết bị bảo vệ, đồng bộ hóa hệ thống và áp dụng phần mềm mô phỏng trong công tác vận hành và bảo trì.
  • Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo nhân lực, xây dựng quy trình chuẩn và đầu tư nâng cấp hạ tầng nhằm đảm bảo vận hành ổn định và an toàn cho HTĐ miền Bắc.

Hãy áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả bảo vệ và độ tin cậy của hệ thống điện, góp phần phát triển bền vững ngành điện Việt Nam.