Luận văn: Tự động hóa lưới điện Đồng Nai dùng chức năng FLISR trong DMS

Luận văn phân tích giải pháp tự động hóa lưới điện phân phối Đồng Nai bằng chức năng FLISR trong DMS, giúp xác định sự cố và khôi phục điện nhanh.

• Tác giả: Trương Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quang Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tự động hóa lưới điện phân phối Đồng Nai sử dụng chức năng FLISR trong DMS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giải pháp FLISR trong tự động hóa lưới điện

FLISR (Fault Location, Isolation and Service Restoration) là một giải pháp tự động hóa hiện đại dành cho lưới điện phân phối. Công nghệ này cho phép xác định vị trí sự cố, cách ly phần lưới bị hỏng và khôi phục cung cấp điện một cách tự động. Việc ứng dụng giải pháp FLISR trong Hệ thống quản lý điện (DMS) tại khu vực tỉnh Đồng Nai giúp nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng. Hệ thống này hoạt động dựa trên các tín hiệu truyền từ các thiết bị bảo vệ bố trí dọc tuyến dây trung thế, kết hợp với dữ liệu vận hành thời gian thực của lưới điện phân phối.

1.1. Khái niệm và thành phần chính của FLISR

FLISR bao gồm ba thành phần chính: xác định vị trí sự cố, cách ly tự động và khôi phục cung cấp. Công nghệ này sử dụng các cảm biến thông minh, thiết bị điều khiển từ xa (RTU) và phần mềm quản lý tập trung để theo dõi tình trạng lưới điện phân phối Đồng Nai liên tục. Khi phát hiện sự cố, hệ thống tự động thực hiện các bước cách ly và khôi phục dịch vụ điện mà không cần can thiệp thủ công, giảm thời gian mất điện cho khách hàng.

1.2. Lợi ích của FLISR trong quản lý lưới điện

Ứng dụng giải pháp FLISR mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Tự động hóa lưới điện giúp giảm thời gian mất điện từ hàng giờ xuống còn vài phút, nâng cao chất lượng điện năng và sự hài lòng của khách hàng. Hệ thống cũng giảm chi phí vận hành, tối ưu hóa độ tin cậy cung cấp điện, và cho phép nhân viên tập trung vào các công việc kỹ thuật khác quan trọng hơn.

II. Tình trạng lưới điện phân phối Đồng Nai hiện nay

Lưới điện phân phối Đồng Nai hiện nay đang phục vụ một khu vực công nghiệp phát triển nhanh chóng với nhu cầu điện liên tục tăng. Hệ thống hiện có gồm nhiều tuyến dây trung thế, các trạm biến áp và điểm phát điện phân tán. Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng này vẫn chưa được trang bị đầy đủ công nghệ FLISR, dẫn đến các sự cố trên tuyến dây không được phát hiện và xử lý nhanh chóng. Việc thiếu tự động hóa lưới điện làm tăng thời gian mất điện và ảnh hưởng đến sản xuất kinh tế của khách hàng. Đây là lý do chính để nghiên cứu và triển khai giải pháp FLISR trong DMS tại khu vực này.

2.1. Cấu trúc lưới điện phân phối Đồng Nai

Lưới điện Đồng Nai được chia thành nhiều khu vực cấp điện độc lập với các tuyến dây trung thế kết nối từ các trạm biến áp 110/20kV. Mỗi tuyến dây có độ dài khác nhau, từ vài km đến hàng chục km, cung cấp điện cho các khu công nghiệp, dân cư và khách hàng thương mại. Cấu trúc này tạo cơ sở tốt cho việc áp dụng công nghệ FLISR để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành.

2.2. Thách thức trong vận hành hiện tại

Hiện nay, vận hành lưới điện Đồng Nai gặp phải các thách thức như: độ trễ cao trong việc phát hiện sự cố, hạn chế trong khôi phục cung cấp điện tự động, và khó khăn trong quản lý dữ liệu thời gian thực. Các sự cố trên lưới điện phân phối thường phải được xử lý bằng phương pháp thủ công, tiêu tốn thời gian và nhân lực, gây thiệt hại kinh tế cho khách hàng.

III. Triển khai FLISR trong DMS tại Nhơn Trạch

Luận văn tập trung vào triển khai FLISR tại lưới điện phân phối Nhơn Trạch như một khu vực thí điểm. Nhơn Trạch là một trong những điểm phát điện quan trọng của tỉnh Đồng Nai, với cấu trúc lưới điện phức tạp và số lượng khách hàng đông đúc. Việc áp dụng giải pháp FLISR trong DMS tại khu vực này sẽ giúp kiểm chứng hiệu quả của công nghệ trước khi mở rộng đến các vùng khác. Hệ thống được thiết kế để tự động xác định vị trí sự cố, thực hiện cách ly tự động và khôi phục dịch vụ mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho các khách hàng khác trong khu vực.

3.1. Yêu cầu kỹ thuật cho triển khai FLISR

Để triển khai giải pháp FLISR thành công, lưới điện phân phối cần được trang bị các thiết bị như: cảm biến thông minh (IED), bộ điều khiển từ xa (RTU), hệ thống SCADA hiện đại, và phần mềm DMS chuyên dụng. Các thiết bị bảo vệ trên tuyến dây phải có khả năng truyền tín hiệu nhanh chóng về trung tâm điều độ. Cơ sở hạ tầng viễn thông cũng phải đủ độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liệu cao để đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống.

3.2. Kịch bản mô phỏng sự cố và khôi phục

Luận văn thực hiện mô phỏng các kịch bản sự cố khác nhau trên lưới điện Nhơn Trạch như: sự cố một pha đất, sự cố ba pha, và sự cố kéo dài. Với mỗi kịch bản, hệ thống FLISR sẽ tự động xác định vị trí, cách ly vùng bị hỏng và khôi phục cung cấp điện cho các phần còn lại của lưới. Kết quả mô phỏng chứng minh rằng giải pháp FLISR giảm thời gian mất điện lên đến 80% so với phương pháp thủ công truyền thống.

IV. Kết quả và hướng phát triển của giải pháp FLISR

Các kết quả từ mô phỏng FLISR trên lưới điện Nhơn Trạch cho thấy hiệu quả vượt trội của công nghệ này. Thời gian phát hiện sự cố giảm từ 30 phút xuống còn 2-3 phút, thời gian khôi phục điện được rút ngắn đáng kể, và tỷ lệ thành công của hệ thống đạt trên 95%. Luận văn cũng đề xuất những hướng phát triển tiếp theo như tích hợp nguồn DG (Distributed Generation), cải thiện thuật toán xác định vị trí sự cố, và mở rộng FLISR đến các lưới điện phân phối khác tại tỉnh Đồng Nai. Việc này sẽ tạo nền tảng cho lưới điện thông minh (Smart Grid) trong tương lai.

4.1. Hiệu quả đạt được từ triển khai FLISR

Giải pháp FLISR đã chứng minh nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp đáng kể. Chỉ số SAIDI (System Average Interruption Duration Index) giảm từ 8 giờ/năm xuống còn 1.5 giờ/năm. Chi phí vận hành cũng giảm do không cần nhân viên thực hiện các công việc cách ly và khôi phục thủ công. Hệ thống tự động hóa lưới điện mang lại giá trị kinh tế lớn cho cả công ty điện lực và khách hàng, giảm thiệt hại từ mất điện.

4.2. Phát triển hệ thống FLISR trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo của FLISR tại Đồng Nai bao gồm: tích hợp nguồn điện phân tán, ứng dụng AI và Machine Learning để tối ưu hóa điều hành, và mở rộng hệ thống đến toàn bộ lưới điện phân phối tỉnh. Việc này sẽ biến lưới điện phân phối Đồng Nai thành một smart grid linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, và bền vững, phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề Một vấn đề quan trọng trong vận hành lưới điện phân phối chính là đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện đối với khách hàng. Để đạt được những yêu cầu này các Công ty Điện lực cần thực hiện đồng bộ nhiều giải pháp như đầu tư phát triển nguồn điện, hệ thống lưới điện đảm bảo cung cấp đủ cho phụ tải; hiện đại hóa lưới điện; ứng dụng tiến bộ của khoa học kỹ thuật; ứng dụng sửa chữa không cần cắt điện; thực hiện các giải pháp giảm sự cố…trong bối cảnh yêu cầu ngày càng cao của Chính phủ và người dân. Hiện nay, đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về tự động hóa lưới điện; phương pháp phát hiện sự cố, định vị sự cố và cách ly sự cố. Tuy nhiên các nghiên cứu chưa nhấn mạnh vào yêu cầu tiêu chuẩn tổng quát hạ tầng lưới điện phân phối cũng như đặc thù lưới điện của từng địa phương.

Do đó đề tài sẽ nghiên cứu về một phương pháp về tự động hóa lưới điện trong việc phát hiện sự cố, cách ly sự cố và tái cấp điện cho các phụ tải trên lưới điện phân phối, từ đó phân tích yêu cầu, đặc điểm cấu trúc hạ tầng lưới điện cần thiết cũng như phương thức vận hành nhằm đáp ứng vấn đề trên. Đề tài nghiên cứu thực trạng cấu trúc LĐPP tỉnh Đồng Nai, từ đó đề xuất phương án nâng cấp cải tạo để triển khai ứng dụng tự động hóa trong xử lý sự cố nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời thực hiện mô phỏng và nhận xét đánh giá kết quả.2 Mục tiêu nghiên cứu Khi xuất hiện sự cố trên LĐPP, vấn đề cấp bách chính là việc nhận dạng sự cố nhanh chóng. Nhờ vào sự phát triển của các thiết bị truyền thông, các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số, các thiết bị truyền dữ liệu FTU, các bộ cảnh báo sự cố FI và các thiết bị đo lường thông minh trên LĐPP, các dữ liệu thời gian thực sẽ được thu thập nhằm dò tìm vị trí và cô lập khu vực bị sự cố, khôi phục cung cấp điện cho những khu vực phụ tải bị ảnh hưởng bởi sự cố sẽ được thực hiện một cách tự động và nhanh chóng. Mục tiêu của đề tài này tập trung nghiên cứu giải pháp FLISR trong DMS từ đó đề xuất cấu trúc lưới điện phù hợp và ứng dụng cụ thể trên LĐPP Đồng Nai, cụ thể 2 CBHD: TS.

Huỳnh Quang Minh luận án thực hiện các nhiệm vụ như sau: 1) Nghiên cứu tổng quan về giải pháp FLISR trong DMS và đề xuất tổng quan cấu trúc lưới điện phù hợp để triển khai ứng dụng 2) Thực trạng LĐPP tỉnh Đồng Nai, phương án nâng cấp cải tạo để triển khai giải pháp FLISR trong DMS; 3) Tiến hành mô phỏng giải pháp FLISR trên lưới điện phân phối Nhơn Trạch, nhận xét đánh giá kết quả và hướng phát triển trong trường hợp có các nguồn phát DG.3 Đối tượng nghiên cứu Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu trên, những đối tượng nghiên cứu của luận văn này được trình bày cụ thể như sau: 1) Các phương pháp phát hiện sự cố nhanh chóng sử dụng các thiết bị FTU có chức năng FI, recloser, relay bảo vệ kỹ thuật số; 2) Các phương pháp định vị/dò tìm vị trí sự cố chính xác; 3) Các phương pháp cách ly/cô lập sự cố và khôi phục cung cấp điện có xem xét các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành; 4) Sử dụng hệ thống SCADA/DMS để thu thập dữ liệu phục vụ cho phương pháp FLISR và tự động cài đặt các thiết bị bảo vệ; 5) Đặc điểm cấu trúc, cơ sở hạ tầng, vận hành LĐPP khu vực tỉnh Đồng Nai.4 Phạm vi đề tài Luận văn này tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu phương pháp FLISR, điều phối bảo vệ cho LĐPP; ứng dụng cụ thể chức năng FLISR trong DMS được cung cấp bởi hãng Survalent của Canada vào LĐPP Đồng Nai để mô phỏng 5 phát tuyến LĐPP huyện Nhơn Trạch. Cuối cùng là hướng phát triển của đề tài trong trường hợp có nguồn phân tán. Mô hình LĐPP chỉ có nguồn tập trung, những hệ thống có nguồn DG không 3 CBHD: TS. Huỳnh Quang Minh thuộc phạm vi nghiên cứu; Vấn đề phối hợp giữa các TBBV trên trục chính và các TBBV trên nhánh rẽ chưa được xem xét trong luận án này.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu sẽ đề xuất được một số đặc điểm LĐPP phù hợp để triển khai giải pháp FLISR, ứng dụng vào thực tiễn lưới điện phân phối khu vực tỉnh Đồng Nai để hỗ trợ Điều độ viên trong việc nhanh chóng phát hiện, định vị, đề xuất phương án cách ly phân đoạn có sự cố và khôi phục cung cấp điện cho những phân đoạn bị ảnh hưởng bởi sự cố.

Từ đó, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của các đơn vị quản lý lưới điện của khu vực này.6 Phương pháp nghiên cứu: Tham khảo các tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đã đề ra trong nội dung nghiên cứu của luận văn: Sử dụng nguồn tài liệu từ các tạp chí khoa học, hội nghị chuyên ngành, bài báo nghiên cứu được công bố trên thư viện điện tử và các tạp chí của các Trường Đại học trong nước; Tham khảo các luận văn, luận án, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan. Nghiên cứu các mô hình, giải thuật liên quan đến đề tài: Phân tích cơ sở lý thuyết về hệ thống bảo vệ và phân tích ngắn mạch đối với LĐPP. Thu thập dữ liệu thực tế lưới điện phân phối tỉnh Đồng Nai, liên kết với lĩnh vực nghiên cứu, đề xuất ứng dụng Thực hiện mô phỏng trên phần mềm để thu thập các kết quả cùng với việc đánh giá kết quả thực nghiệm có được. Huỳnh Quang Minh Chương 2: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP FLISR CHO LĐPP 2.1 Tổng quan về LĐPP và hệ thống quản lý và vận hành LĐPP 2.1 Tổng quan về LĐPP Lưới điện phân phối là một phần của hệ thống lưới điện Quốc gia và là khâu cuối cùng của hệ thống điện để truyền điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng.

Lưới điện phân phối bao gồm đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp đến 110kV. Là đơn vị kinh doanh điện năng, ngày nay các Công ty Điện lực luôn chú trọng nâng cao dịch vụ, đảm bảo sự hài lòng của khách hàng trong đó vấn đề đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện là vấn đề trọng tâm. Với sự đòi hỏi ngày càng cao của khách hàng và yêu cầu của Chính phủ, ngành điện cần đầu tư, ứng dụng nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu tối đa thời gian mất điện cho khách hàng, nâng cao năng lực cạnh tranh Quốc gia. Đó là một trong những vấn đề quan trọng mà ngành điện cần phải quan tâm và đầu tư đúng mức.2 Một số đặc điểm của lưới điện phân phối Lưới điện phân phối có các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lưới điện truyền tải.

Lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, bao gồm nhiều phát tuyến hình tia, mạch vòng, trên đó được bố trí nhiều thiết bị đóng cắt từng phân đoạn nhằm thuận lợi trong công tác vận hành, đóng cắt điện; tính năng sử dụng của các thiết bị ngày càng hiện đại (thao tác không tải, có tải, tự động đóng cắt, thao tác xa…). Ngày nay, đa số các phát tuyến điều đảm bảo tiêu chí (n-1); tuy nhiên, tùy thuộc vào năng lực đáp ứng của lưới điện, đặc điểm của phụ tải, các Công ty Điện lực sẽ chọn nhiều phương án vận hành khác nhau như: vận hành độc lập, mạch kín vận hành hở, mạch kín vận hành kín… 2.3 Giới thiệu về hệ thống quản lý và vận hành LĐPP Hệ thống quản lý LĐPP đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển lưới điện nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng. Theo tài liệu [1], một hệ thống quản lý tiên tiến được đề xuất áp dụng trên LĐPP gồm ba ứng dụng sau: điều chỉnh điện áp, đáp ứng phụ tải (Demand Response) và FLISR. Liên quan đến hệ thống bảo vệ LĐPP, phương pháp FLISR ưu tiên dò tìm chính xác 5 CBHD: TS.

Huỳnh Quang Minh phân đoạn có sự cố trước khi thực hiện các bước cách ly sự cố và tìm kiếm phương án khôi phục cung cấp điện. Qua đó, các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện. Tóm lại, quá trình khôi phục cung cấp điện của ứng dụng FLISR có thể xem xét dưới khía cạnh là một phần của đáp ứng phụ tải điện trên LĐPP. Hơn nữa, theo tài liệu [2], hệ thống quản lý LĐPP tập trung vào việc đáp ứng phụ tải và được phân loại thành hai hướng tiếp cận khác nhau: i) dựa vào chính sách khuyến khích và ii) dựa trên lợi ích kinh tế.

Có thể thấy rằng, hệ thống quản lý LĐPP chủ yếu tập trung vào vấn đề quản lý và đáp ứng phụ tải. Các phụ tải được giám sát chặt chẽ và được điều khiển hành vi thông qua hệ thống quản lý LĐPP tùy thuộc vào mục đích vận hành cụ thể nhưng vấn đề cốt lõi chính là đảm bảo phụ tải được cung cấp điện liên tục. Như vậy, những sự cố trên LĐPP không chỉ gây gián đoạn cung cấp điện cho những phụ tải thuộc khu vực bị sự cố mà còn cho những phụ tải thuộc khu vực khác. Theo đó, hệ thống quản lý LĐPP phải nhận biết được sự xuất hiện của sự cố nhằm kịp thời đưa ra giải pháp cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện.

Chính vì vậy, phương pháp FLISR sẽ được tác giả nghiên cứu trong luận văn này đồng thời ứng dụng thực tế trên lưới điện khu vực Đồng Nai thông qua việc tích hợp vào hệ thống SCADA/DMS – Hệ thống quản lý LĐPP.2 Tổng quan về giải pháp FLISR trong DMS 2.1 Tổng quan FLISR: Fault Localization Isolation & Service Restoration (Cách ly khu vực lỗi và khôi phục dịch vụ) Hiện nay, các phương pháp phát hiện và định vị vị trí sự cố thường tận dụng các tín hiệu truyền từ các thiết bị đầu cuối (FTU) bố trí dọc trên tuyến dây trung thế kết hợp với trạng thái vận hành thời gian thực của LĐPP như đã đề cập trong tài liệu [3- 5]. Cụ thể, LĐPP được mô hình thành từng khu vực nhỏ để phân tích sự cố khi vận hành hình tia và liên kết vòng trong tài liệu [3]. Phương pháp này tuy đơn giản nhưng gặp khuyết điểm trong việc định vị chính xác vị trí sự cố bên trong khu vực. Ở tài liệu [4], các thiết bị chỉ báo sự cố (FI) được sử dụng để định vị vị trí sự cố.

Tài liệu 6 CBHD: TS.