Luận văn: Nghiên cứu sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp - ĐH SPKT

Nghiên cứu sa thải phụ tải hệ thống điện dựa trên khoảng cách điện theo điện áp. Phân tích các phương pháp và công nghệ mới nhất trong lĩnh vực điện.

• Tác giả: Huỳnh Văn Nuôi
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu sa thải phụ tải hệ thống điện dựa trên khoảng cách điện theo điện áp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn sa thải phụ tải điện

Luận văn nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải hệ thống điện dựa trên khoảng cách điện theo điện áp nhằm tối ưu hóa vận hành lưới điện khi xảy ra sự cố. Phương pháp này kết hợp mạng nơ-ron kép lan truyền ngược-hồi quy để nhận dạng máy phát bị sự cố và đưa ra quyết định sa thải phụ tải ưu tiên. Mô hình sử dụng dữ liệu điện áp tại các điểm đo khác nhau để xác định khoảng cách điện, từ đó phân loại mức độ nguy hiểm của sự cố. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu tổn thất kinh tế do mất điện. Phương pháp đề xuất phù hợp với các hệ thống điện có quy mô vừa và nhỏ.

1.1. Khái niệm phụ tải hệ thống điện

Phụ tải hệ thống điện là tổng công suất tiêu thụ của tất cả thiết bị điện trong lưới tại một thời điểm nhất định. Phụ tải bao gồm phụ tải tĩnh (động cơ, đèn chiếu sáng) và phụ tải động (máy phát điện, thiết bị công nghiệp). Trong điều kiện vận hành bình thường, hệ thống điện phải đảm bảo cung cấp đủ phụ tải theo yêu cầu. Khi xảy ra sự cố như ngắn mạch hoặc mất cân bằng công suất, phụ tải có thể vượt quá khả năng cung cấp của hệ thống, dẫn đến mất điện cục bộ hoặc toàn hệ thống.

1.2. Tầm quan trọng của sa thải phụ tải

Sa thải phụ tải là biện pháp khẩn cấp nhằm ngăn chặn sự lan rộng của sự cố trong hệ thống điện. Quá trình sa thải phải đảm bảo ưu tiên cắt các phụ tải không quan trọng trước, giữ ổn định hệ thống và tránh sụp đổ hoàn toàn. Phương pháp dựa trên khoảng cách điện theo điện áp cho phép xác định nhanh chóng các khu vực nguy hiểm, giảm thiểu thời gian phản ứng. Việc triển khai hệ thống sa thải thông minh giúp nâng cao độ tin cậy vận hành và giảm thiểu tổn thất kinh tế.

II. Phân tích các vấn đề trong sa thải phụ tải điện

Sa thải phụ tải truyền thống gặp nhiều hạn chế như thời gian phản ứng chậm, thiếu linh hoạt trong điều kiện thay đổi liên tục của hệ thống. Việc xác định phụ tải ưu tiên sa thải dựa trên kinh nghiệm vận hành thường không chính xác, dẫn đến nguy cơ sụp đổ hệ thống. Ngoài ra, phương pháp truyền thống không thể xử lý hiệu quả các tình huống phức tạp như mất cân bằng công suất đột ngột hoặc suy giảm điện áp nhanh chóng. Các thuật toán cũ thiếu khả năng học tập từ dữ liệu lịch sử, khiến hiệu quả sa thải phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành.

2.1. Hạn chế của phương pháp truyền thống

Phương pháp truyền thống thường sử dụng các quy tắc cứng nhắc để xác định phụ tải cần sa thải, không thích ứng được với các thay đổi nhanh chóng của hệ thống. Việc phân loại phụ tải dựa trên kinh nghiệm vận hành dẫn đến sai sót trong quyết định sa thải. Ngoài ra, hệ thống cảnh báo sớm thường không đủ nhạy để phát hiện sớm các dấu hiệu nguy hiểm, khiến thời gian phản ứng bị kéo dài. Sự chậm trễ này có thể dẫn đến mất ổn định toàn hệ thống.

2.2. Thách thức trong nhận dạng sự cố

Việc nhận dạng chính xác máy phát bị sự cố là thách thức lớn trong sa thải phụ tải. Các phương pháp truyền thống dựa trên phân tích tần số hoặc dòng điện, nhưng hiệu quả không cao khi xảy ra nhiễu loạn phức tạp. Khoảng cách điện theo điện áp cung cấp giải pháp thay thế bằng cách sử dụng dữ liệu điện áp tại nhiều điểm đo để xác định vị trí sự cố. Tuy nhiên, việc xử lý dữ liệu lớn và đưa ra quyết định nhanh chóng đòi hỏi các thuật toán tiên tiến, vượt quá khả năng của hệ thống cũ.

III. Giải pháp sa thải phụ tải dựa trên khoảng cách điện

Nghiên cứu đề xuất sử dụng mạng nơ-ron kép kết hợp khoảng cách điện theo điện áp để cải thiện hiệu quả sa thải phụ tải. Mạng nơ-ron lan truyền ngược xử lý dữ liệu điện áp tại các điểm đo khác nhau, xác định vị trí sự cố và mức độ nguy hiểm. Dựa trên kết quả này, hệ thống ra quyết định sa thải phụ tải ưu tiên, đảm bảo ổn định hệ thống. Phương pháp này có khả năng thích ứng với các thay đổi của hệ thống nhờ cơ chế học tập từ dữ liệu lịch sử. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả vượt trội so với phương pháp truyền thống.

3.1. Mô hình mạng nơ ron lan truyền ngược

Mạng nơ-ron lan truyền ngược sử dụng dữ liệu điện áp từ các điểm đo trong hệ thống để huấn luyện mô hình nhận dạng sự cố. Mạng bao gồm nhiều lớp ẩn, cho phép học các đặc trưng phức tạp của dữ liệu. Sau khi huấn luyện, mô hình có thể dự đoán vị trí sự cố và mức độ nguy hiểm trong thời gian thực. Khả năng học tập từ dữ liệu lịch sử giúp mô hình thích ứng với các thay đổi của hệ thống, nâng cao độ chính xác quyết định.

3.2. Thuật toán sa thải phụ tải ưu tiên

Thuật toán sa thải phụ tải ưu tiên sử dụng kết quả từ mạng nơ-ron để xác định phụ tải cần sa thải dựa trên mức độ quan trọng. Hệ thống ưu tiên cắt các phụ tải không quan trọng trước, giữ ổn định hệ thống. Thuật toán cũng tính toán dung lượng phụ tải tối ưu cần sa thải để tránh sụp đổ hệ thống. Quá trình ra quyết định diễn ra trong thời gian thực, đảm bảo phản ứng nhanh chóng với các sự cố.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp sa thải phụ tải dựa trên khoảng cách điện theo điện áp kết hợp mạng nơ-ron. Phương pháp này cải thiện đáng kể thời gian phản ứng và độ chính xác trong quyết định sa thải phụ tải. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ngăn chặn sự lan rộng của sự cố và duy trì ổn định hệ thống. Phương pháp đề xuất có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện có quy mô vừa và nhỏ, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống điều khiển thông minh trong lĩnh vực điện năng.

4.1. Đánh giá hiệu quả phương pháp

Phương pháp đề xuất cải thiện đáng kể thời gian phản ứng so với phương pháp truyền thống. Khả năng nhận dạng sự cố chính xác giúp hệ thống đưa ra quyết định sa thải phụ tải tối ưu. Mô hình mạng nơ-ron có thể thích ứng với các thay đổi của hệ thống, nâng cao độ tin cậy vận hành. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp giảm thiểu nguy cơ sụp đổ hệ thống và tổn thất kinh tế do mất điện.

4.2. Triển vọng ứng dụng thực tế

Phương pháp sa thải phụ tải dựa trên khoảng cách điện có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại. Việc tích hợp vào hệ thống điều khiển tự động giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các nhà vận hành lưới điện có thể sử dụng phương pháp này để cải thiện hiệu quả vận hành và giảm chi phí bảo trì. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống điều khiển thông minh trong lĩnh vực điện năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Năng lượng điện là nguồn năng lượng rất phổ biến, sản lượng điện hàng năm trên thế giới ngày càng tăng chiếm tỷ trọng rất lớn so với các nguồn năng lượng khác. Điện năng được sử dụng nhiều là do có nhiều ưu điểm như: dễ dàng chuyển thành các dạng năng lượng khác (hòa, cơ, nhiệt…) dễ di chuyển đi xa, hiệu suất rất cao. Điện năng sản xuất ra thì không thể tích trữ được, cho nên phải quá trình sản xuất điện và sử dụng điện diễn ra đồng thời, thông qua đường dây truyền tải điện.

Đất nước đang phát triển, đòi hỏi nguồn năng lượng phục vụ phát triển đất nước rất cao, đặc biệt là ngành công nghiệp nhu cầu về điện năng rất lớn. Theo Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) thì tổng sản lượng điện thương phẩm ở Việt Nam có tốc độ gia tăng 10,84% trong giai đoạn từ 2011-2015. Trong năm 2015 thì tổng sản lượng điện thương phẩm là 143,7 tỷ kWh và 10 tháng đầu năm 2016 thì đạt 132,6 tỷ kWh, tăng 11,34% so với cùng kỳ năm 2015 [1]. Qua các số liệu đó thì có thể thấy rằng tốc độ tăng trưởng trong nhu cầu năng lượng Việt Nam là rất cao nên phải sản xuất ngày một nhiều điện hơn để đáp ứng nhu cầu và việc truyền tải công suất ngày một lớn dần như vậy thông qua lưới điện hiện tại dẫn đến điều kiện vận hành của các đường dây truyền tải ngày càng tiến gần tới giới hạn của nó làm cho hệ thống trở nên dễ bị nhiễu loạn và mất điện.

Để đủ khả năng nhu cầu năng lượng tăng cao của xã hội, hiện nay hệ thống điện đang hoạt động ở giới hạn tính tải tối đa của họ kết thúc để giảm lợi nhuận ổn định và khả năng dự trữ nhỏ hơn. Trong điều kiện như vậy, mất điện tổng thể rất có khả năng xảy ra trong trường hợp xuất hiện sự cố nghiêm trọng. Các sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện, thường là các sự cố mất một máy phát điện, hoặc bất ngờ thay đổi tải. Những nhiễu loạn thay đổi về cường độ của nó, tại thời điểm này những nhiễu loạn có thể gây ra mất ổn định hệ thống.

Ví dụ, khi một phụ tải công nghiệp lớn đột ngột được đóng, hệ thống có thể trở nên mất ổn định. HVTH: HUỲNH VĂN NUÔI 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.QUYỀN HUY ÁNH Điều này dẫn đến cần thiết để nghiên cứu hệ thống và theo dõi nó để ngăn chặn hệ thống trở nên mất ổn định. Giải pháp sa thải phụ tải là một trong những giải pháp mạnh và hiệu quả để duy trì ổn định hệ thống điện và tái lập giá trị tần số trong giới hạn qui định trong các tình huống sự cố khẩn cấp.Vấn đề đặt ra là phải sa thải nhanh, mức sa thải công suất hợp lý nhằm giảm thiệt hại do mất điện. Tổng quan các công trình nghiên cứu Có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống cung cấp điện đã được các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng rộng rãi trong và ngoài nước.

Hầu hết trong số này là dựa trên sự suy giảm tần số trong hệ thống. Bằng cách xem xét một yếu tố, đó là tần số, trong một số trường hợp phương pháp này tỏ ra kém hiệu quả. Sa thải tải quá nhiều là không thích hợp trong việc cung cấp điện của ngành điện vì nó gây ra sự làm mất điện và giảm độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng. Các cải tiến về các phương pháp truyền thống này đã dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật sa thải phụ tải dựa trên tần số cũng như tốc độ thay đổi của tần số.

Điều này dẫn đến nâng cao độ chính xác và dự đoán tốt hơn lượng phụ tải cần phải sa thải. Sau khi xem xét các thông số cho sa thải tải, cần thiết phải có các thiết bị phù hợp cho việc thu thập dữ liệu hệ thống để các dữ liệu đưa vào cho chương trình sa thải được chính xác như các giá trị thực tế. Thông thường, các bộ phận đo lường pha được sử dụng để đo dữ liệu thời gian thực. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.

Nghiên cứu trong nước 1. Luận văn ThS Nguyễn Trọng Tín: Nghiên cứu sa thải phụ tải nhưng chỉ xét đến các yếu tố điều kiển sơ cấp (điều khiển và phản ứng bộ điều tốc), không có xét đến các yếu tố điều khiển thứ cấp; đề tài thể hiện chiến lược sa thải phụ tải dựa trên df/dt, chưa sử dụng mạng Nơ ron; 2. Luận văn ThS Đỗ Hữu Kiệt: nghiên cứu đề xuất chương trình sa thải phụ tải có xét đến tầm quan trọng và vị trí của phụ tải, chi phí phụ tải, và các điều kiện ràng HVTH: HUỲNH VĂN NUÔI 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.QUYỀN HUY ÁNH buộc dựa trên thuật toán phân tích hệ thống phân cấp AHP và Fuzzy Logic để xử lí số liệu, chưa sử dụng mạng Nơ ron; 3. Luận văn ThS Mai Ngọc Nhẫn nghiên cứu và đề xuất mô hình: “Nghiên cứu sa thải phụ tải áp dụng mạng nơron và thuật toán AHP” để sa thải phụ tải nhằm đảm bảo duy trì ổn định động hệ thống điện khi xuất hiện sự cố ngắn mạch trên cơ sở phối hợp áp dụng giải thuật công nghệ tri thức: K-means, mạng nơ ron và giải thuật AHP.

Nghiên cứu nước ngoài 1. Junjie Tang, Junqi Liu [8] đã đề xuất trong bài báo này một thuật toán sa thải thích ứng tập trung, thích ứng mới, sử dụng cả thông tin điện áp và tần số được cung cấp bởi các bộ đo đồng bộ pha (PMU). Đóng góp chính của phương pháp mới là việc xem xét công suất phản kháng cùng với công suất hoạt động trong chiến lược sa thải tải. Do đó, phương pháp này giải quyết các vấn đề ổn định tần số và điện áp kết hợp tốt hơn các phương pháp tiếp cận độc lập.

Alireza Saffarian và Majid Sanaye-Pasand, [9] đề xuất ba phương pháp sa thải tải hỗn hợp thích nghi được đề xuất để cải thiện hoạt động của chương trình sa thải tải theo tần số thấp để tăng cường sự ổn định của hệ thống điện sau các rối loạn nghiêm trọng. Các phương pháp được đề xuất sử dụng tín hiệu điện áp và tần số đo tại chỗ để chống lại các sự kiện đó. Trong các thuật toán được đề xuất, tải đổ được bắt đầu từ các vị trí có phân rã điện áp cao hơn trong khoảng thời gian dài hơn. Tốc độ, vị trí và lượng tải đổ được thay đổi một cách thích nghi tùy thuộc vào vị trí nhiễu, trạng thái điện áp của hệ thống và tốc độ giảm tần số.

Hoạt động của quy ước và đề xuất tải phương pháp đổ đã được mô phỏng trong một mạng thực tế lớn. Saffarian [10], đã đề xuất một phương pháp sa thải tải mới để tăng tính bảo mật của hệ thống điện trong các nhiễu loạn lớn. Phương pháp được đề xuất sử dụng tín hiệu điện áp và tần số đo tại chỗ và không cần bất kỳ liên kết truyền thông nào. Hiệu quả của sơ đồ truyền thống và phương pháp sa thải được đề xuất sử dụng các tiêu chuẩn cắt khác nhau đã được mô phỏng trong hai hệ thống thử nghiệm: một mạng lớn thực sự và một hệ thống kiểm tra tiêu chuẩn.

HVTH: HUỲNH VĂN NUÔI 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.QUYỀN HUY ÁNH 4. Bevrani và các cộng sự, 2009 [16], đã nghiên cứu việc sử dụng tốc độ thay đổi tần số df/dt trong các sơ đồ điều khiển khẩn cấp hệ thống điện. Bài báo thảo luận vài trò của df/dt trong hiệu quả thiết kế sa thải phụ tải dưới tần số, cũng như phân tích tác động của các nguồn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) lên độ dốc tần số hệ thống. Tác giả đã nhấn mạnh việc sử dụng ∆f/∆t là tốt hơn df/dt.

Các công trình nghiên cứu sa thải phụ tải nêu trên chưa áp dụng phương pháp sa thải phụ tải trên cơ sở áp dụng mạng nơ-ron kép lan truyền ngược-hồi quy và khoảng cách điện theo điện áp. Điều khiển tần số trong hệ thống điện Việt Nam Quy định điều khiển tần số trong hệ thống điện Việt Nam như sau [2]: Tần số hệ thống điện Quốc gia phải luôn duy trì ở mức 50Hz với mức chênh lệch cho phép trong khoảng ± 0,2Hz. Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định thì mức chênh lệch cho phép là ± 0,5Hz. Tất cả các tổ máy phát trong hệ thống điện Việt Nam có đặc tính điều chỉnh được đặt với độ dốc 4%.

Việc đặt cùng độ dốc nhằm phân bố phụ tải cho các tổ máy theo khả năng phát của tổ máy đó. Điều chỉnh tần số trong hệ thống điện Việt Nam được chia thành 3 cấp: ✓ Điều tần cấp I là đáp ứng của hệ thống tự động điều khiển phát điện (AGC) nhằm duy trì tần số định mức 50Hz với dải dao động cho phép ± 0,2 Hz. ✓ Điều tần cấp II là điều chỉnh tự động hoặc điều chỉnh bằng tay các tổ máy phát điện nhằm đưa tần số nằm ngoài khoảng 50 ± 0,5 Hz về giới hạn trong khoảng 50 ± 0,5 Hz. ✓ Điều tần cấp III là điều chỉnh bằng sự can thiệp của lệnh điều độ để đưa tần số hệ thống điện vận hành ổn định theo quy định hiện hành và đảm bảo phân bổ kinh tế công suất phát các tổ máy.

HVTH: HUỲNH VĂN NUÔI 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.QUYỀN HUY ÁNH Hình 1. Sơ đồ phân cấp điều chỉnh tần số hệ thống điện Việt Nam ✓ Cấp điều độ có quyền điều tần phải thường xuyên theo dõi lượng công suất dự phòng điều tần cấp I, xu hướng thay đổi phụ tải của HTĐ để chủ động điều chỉnh công suất phát các NMĐ, đảm bảo mức dự phòng quay theo quy định. ✓ Cấp điều độ có quyền điều tần quy định 1 hoặc nhiều nhà máy điện (NMĐ) tham gia điều tần cấp I. Căn cứ vào nhiệm vụ phân công điều tần mà các NMĐ điều tần cấp I đưa các bộ tự động điều chỉnh công suất, tần số vào làm việc phù hợp thực tế.

Khi gần hết lượng công suất dự phòng cho việc điều tần, các NMĐ này phải kịp thời báo cho cấp điều độ có quyền điều khiển. ✓ Tất cả các NMĐ không làm nhiệm vụ điều tần cấp I đều phải tham gia điều tần cấp II (trừ trường hợp đã được chấp thuận bởi cấp điều độ có quyền điều khiển). Khi tần số HTĐ ra ngoài mức 50Hz ± 0,5Hz quá 15 giây, các NMĐ làm nhiệm vụ điều tần cấp II đều phải tham gia điều chỉnh theo khả năng của tổ máy để đưa tần số HTĐ về mức 50Hz ± 0,2Hz.