Nghiên cứu mô phỏng sự cố điện áp lớn trong hệ thống điện - Đại học Bách Khoa Hà Nội

Phân tích chi tiết quy trình mô phỏng các sự cố điện áp lớn trong hệ thống điện. Tài liệu cung cấp phương pháp nhận diện, đánh giá tác động và đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Xuân Tùng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Mô phỏng các sự cố lớn về điện áp trong hệ thống điện
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan mô phỏng sự cố điện áp trong hệ thống điện

Mô phỏng các sự cố lớn về điện áp là quá trình sử dụng các mô hình toán học và công cụ tính toán để tái hiện, phân tích diễn biến của các sự cố mất điện áp nghiêm trọng trong lưới điện. Công việc này có ý nghĩa sống còn nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện quốc gia. Các sự cố này thường liên quan đến hiện tượng sụp đổ điện áp, dẫn đến rã lưới và mất điện diện rộng. Nghiên cứu mô phỏng giúp hiểu rõ cơ chế phát sinh, lan truyền và hậu quả của sự cố. Từ đó, các nhà điều độ và kỹ sư có thể đưa ra các kịch bản phòng ngừa, kiểm tra hiệu quả của các biện pháp bảo vệ. Tài liệu gốc từ đề tài nghiên cứu cấp Bộ GD-ĐT đã xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống điện 500kV Việt Nam. Phần mềm này phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo chuyên gia của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của mô phỏng

Mô phỏng sự cố điện áp là công cụ phân tích kỹ thuật số cho phép tái tạo các kịch bản sự cố phức tạp trên máy tính. Tầm quan trọng của nó nằm ở khả năng dự báo và phòng ngừa. Việc này giúp giảm thiểu rủi ro vận hành thực tế, tránh được những tổn thất kinh tế và xã hội to lớn do mất điện diện rộng gây ra. Mô phỏng cũng là nền tảng để kiểm tra và hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ.

1.2. Bối cảnh nghiên cứu tại Việt Nam

Nghiên cứu mô phỏng sự cố điện áp tại Việt Nam bắt nguồn từ yêu cầu cấp bách đảm bảo an ninh năng lượng. Hệ thống điện 500kV là xương sống truyền tải quốc gia, nhưng tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định. Các chuyên gia từ Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiến hành xây dựng phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Phần mềm này được phát triển nhằm phục vụ công tác đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ điều độ viên của EVN.

II. Phân tích các sự cố điện áp lớn và cơ chế gây ra

Các sự cố điện áp lớn thường diễn ra theo một chuỗi sự kiện phức tạp. Ban đầu, một nhiễu loạn ban đầu như sự cố ngắn mạch hoặc mất nguồn lớn xảy ra. Điện áp tại một số nút trong lưới bắt đầu giảm sâu. Sự giảm điện áp này kích hoạt các rơ le bảo vệ, đặc biệt là rơ le khoảng cách và rơ le quá dòng. Các rơ le này có thể cắt bỏ thêm nhiều đường dây hoặc máy phát, làm trầm trọng thêm tình trạng. Quá trình này tạo ra một vòng xoáy mất điện áp dẫn đến hiện tượng rã lưới. Tài liệu đã nêu bật nhiều sự cố điển hình trên thế giới và tại Việt Nam, như sự cố tại Pháp năm 1978 hay sự cố trên lưới điện Việt Nam năm 2013.

2.1. Các sự cố điện áp điển hình trên thế giới

Thế giới đã ghi nhận nhiều bài học đau thương từ sự cố điện áp. Sự cố tại Italia năm 2003 và tại Nhật Bản năm 1987 là những ví dụ điển hình. Các sự cố này đều bắt đầu từ sự mất cân bằng cung-cầu cục bộ. Điện áp giảm liên tục dẫn đến sự hoạt động sai lệch của hệ thống bảo vệ và điều khiển. Hậu quả là sự tách lưới và mất điện diện rộng kéo dài nhiều giờ.

2.2. Vai trò của rơ le bảo vệ trong sự cố diện rộng

Rơ le bảo vệ đóng vai trò kép trong các sự cố điện áp. Chúng vừa là thiết bị bảo vệ thiết bị, vừa có thể là tác nhân làm lan rộng sự cố. Các loại rơ le quá dòng, rơ le khoảng cách và rơ le phát hiện mất đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý tổng trở hoặc dòng điện. Khi điện áp giảm, dòng điện tăng, khiến chúng nhả rơ le cắt bỏ các phần tử lưới đang làm việc bình thường. Điều này vô tình đẩy hệ thống vào tình trạng mất ổn định nghiêm trọng hơn.

III. Phương pháp mô phỏng và công cụ phân tích sự cố điện áp

Để mô phỏng chính xác các sự cố điện áp, cần sử dụng các phương pháp tính toán tiên tiến và các công cụ đo lường hiện đại. Phương pháp tiếp cận tĩnh được áp dụng để đánh giá khả năng tồn tại nghiệm của hệ phương trình đại số, cho thấy nguy cơ sụp đổ điện áp. Bên cạnh đó, việc sử dụng thiết bị đo đồng bộ góc pha (PMU) là then chốt. PMU cung cấp dữ liệu thời gian thực về biên độ và pha của điện áp tại các điểm trong lưới. Dữ liệu này được dùng cho bài toán đánh giá trạng thái (State Estimation) để có được bức tranh toàn cảnh và chính xác về trạng thái vận hành của hệ thống. Công tác tối ưu hóa vị trí đặt PMU cũng là một phần quan trọng để đảm bảo khả năng quan sát toàn bộ lưới điện.

3.1. Ứng dụng của thiết bị đo đồng bộ góc pha PMU

Thiết bị PMU là công cụ đo lường then chốt cho giám sát diện rộng. Nó cho phép thu thập dữ liệu điện áp và dòng điện với độ chính xác cao về thời gian. Các ứng dụng chính bao gồm giám sát ổn định hệ thống, xây dựng trình tự sự kiện sau sự cố, và hỗ trợ khởi động đen. Dữ liệu từ mạng lưới PMU là đầu vào không thể thiếu cho các thuật toán mô phỏng và phân tích sự cố điện áp thời gian thực.

3.2. Bài toán tối ưu vị trí đặt PMU trên lưới điện

Để đạt được khả năng quan sát toàn diện lưới điện với chi phí hợp lý, cần giải bài toán tối ưu vị trí đặt PMU. Bài toán này xác định số lượng và vị trí tối thiểu các PMU sao cho toàn bộ các nút trong lưới đều được quan sát. Các luật quan sát được xây dựng dựa trên định lý Kirchhoff và tính chất của các nút ZIB (nút không có tiêm nạp dòng). Việc áp dụng tối ưu vị trí đặt PMU cho lưới điện 220-500kV Việt Nam đã cho thấy hiệu quả trong mô phỏng sự cố.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn trong vận hành hệ thống điện

Nghiên cứu mô phỏng các sự cố lớn về điện áp mang lại nhiều giá trị thực tiễn to lớn. Kết quả của công tác này là cơ sở khoa học để xây dựng các kịch bản phòng ngừa sự cố và đào tạo nhân lực. Phần mềm mô phỏng đã được phát triển có thể ứng dụng trực tiếp trong công tác điều độ tính toán phương thức hệ thống điện. Nó giúp các chuyên gia EVN đánh giá trước rủi ro, đề xuất các biện pháp điều chỉnh hợp lý. Ứng dụng này góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và an ninh năng lượng quốc gia. Hướng phát triển trong tương lai là tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo để dự báo và điều khiển tự động.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo và vận hành thực tế

Phần mềm mô phỏng sự cố điện áp là công cụ đào tạo hiệu quả cho các điều độ viên. Nó cho phép người học trải nghiệm các tình huống sự cố giả lập một cách an toàn. Trong vận hành thực tế, công cụ này giúp kiểm tra tính hợp lý của phương thức vận hành trước khi ban hành. Nó cũng hỗ trợ phân tích nguyên nhân sau khi xảy ra sự cố thực, từ đó rút kinh nghiệm và cải tiến quy trình.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp công nghệ mới

Tương lai của mô phỏng sự cố điện áp nằm trong việc tích hợp với các công nghệ của lưới điện thông minh. Dữ liệu lớn từ mạng lưới cảm biến và PMU sẽ được xử lý bằng các thuật toán học máy. Điều này giúp dự báo sớm nguy cơ mất ổn định điện áp với độ chính xác cao hơn. Hệ thống có thể đề xuất hoặc thực hiện các hành động điều khiển tự động để ngăn chặn sự cố lan rộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO TỔNG HỢP NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CÁC SỰ CỐ LỚN VỀ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Hà Nội, tháng 12/2016 i ii Mở đầu Tài liệu này được trích từ báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD-ĐT “Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống điện 500kV Việt Nam nhằm phát hiện và cảnh báo nguy cơ rã lưới”, phục vụ cho khóa đào tạo “Điều độ, tính toán phương thức hệ thống điện” cho các chuyên gia của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN). Người thực hiện chính: • TS. Nguyễn Xuân Tùng • TS. Nguyễn Đức Huy iii Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ. xi DANH MỤC BẢNG.xvi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . xvii Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG. Tính cấp thiết của đề tài . Mục tiêu nghiên cứu của đề tài . Phương pháp nghiên cứu . Cấu trúc của báo cáo . 6 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN VÀ CƠ CHẾ CỦA CÁC SỰ CỐ DIỆN RỘNG . Phân loại ổn định trong hệ thống điện . Mô hình toán học của bài toán nghiên cứu quá trình mất ổn định trong dài hạn . Mô hình toán học. Quá trình mất ổn định . Một số sự cố gây mất ổn định điển hình trên thế giới và Việt Nam. Sự cố tại Pháp ngày 19/12/1978. Sự cố tại Italia ngày 28/9/2003 . Sự cố tại Tokyo – Nhật Bản ngày 23/7/1987 . Sự cố tách lưới châu Âu ngày 4/11/2006 . Sự cố diện rộng trên lưới điện Việt Nam ngày 22 tháng 5 năm 2013 . Cơ chế của các sự cố rã lưới và sự cố diện rộng. Sự làm việc của hệ thống rơ le bảo vệ trong các sự cố diện rộng. Rơ le quá dòng điện . Rơ le khoảng cách . Rơ le phát hiện mất đồng bộ . Rơ le bảo vệ quá kích từ máy phát (OEL) . Rơ le sa thải phụ tải. 17 Chương 3 THIẾT BỊ ĐO ĐỒNG BỘ GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN . Giới thiệu về thiết bị đo đồng bộ góc pha . Các ứng dụng của thiết bị đo PMU . Các ứng dụng giám sát diện rộng. Các ứng dụng off-line . Xây dựng trình tự các sự kiện và xác định điểm sự cố . Các ứng dụng điều khiển và bảo vệ diện rộng dựa trên PMU. Trợ giúp quá trình khởi động đen và khôi phục hệ thống điện . Bảo vệ chống mất đồng bộ diện rộng . Điều khiển ổn định các dao động công suất. 28 Chương 4 BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ PHA TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN . Các luật quan sát của PMU . Luật quan sát thứ nhất . Luật quan sát thứ hai . Luật quan sát thứ ba . Các kháng điện, tụ bù ngang . Các tụ bù dọc . Bài toán xác định vị trí đặt tối ưu cho thiết bị PMU trên lưới điện. Bài toán tối ưu vị trí PMU truyền thống .2 Bài toán tối ưu vị trí đặt PMU có xét đến các nút ZIB. Bài toán tối ưu vị trí đặt PMU có xét đến 1 PMU bất kỳ bị hư hỏng . Bài toán tối ưu điểm đặt PMU có xét đến 1 nhánh bất kỳ bị cắt .5 Công cụ giải quyết bài toán tối ưu . Kết quả áp dụng đối với các mô hình lưới điện. Các lưới điện mẫu IEEE . Hệ thống điện 220 – 500kV Việt Nam . 42 Chương 5 BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI . Giới thiệu bài toán đánh giá trạng thái . Thuật toán giải quyết bài toán đánh giá trạng thái. Kỹ thuật ước lượng hợp lý cực đại (MLE maximum likelihood estimation) . Phương pháp bình phương cực tiểu có trọng số . Các bước thực hiện SE . Tính toán các hàm số h(x) . Tính toán ma trận Jacobian H(x). Phát hiện và xác định các dữ liệu đo không chính xác . Chuẩn hóa sai số . Phát hiện và xác định dữ liệu sai. Thuật toán áp dụng . 57 Chương 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN . Mô hình toán học của bài toán ổn định và định thức ma trận Jacobi . Hệ phương trình vi phân đại số mô tả quá trình động học của hệ thống điện . Hệ phương trình chế độ xác lập . Ổn định của chế độ xác lập . Quan sát ma trận Jacobi của lưới điện thu gọn. Phương pháp độ nhạy, xác định nút yếu . Giới hạn truyền tải công suất . Mô hình bài toán tối ưu phi tuyến tìm giới hạn truyền tải công suất . Phương pháp trào lưu công suất liên tục, đường cong P-V, đường cong V-Q . Phương pháp mạng một cửa tương đương . Tổng trở của mạng một cửa tương đương . Phương pháp đánh giá ổn định dựa trên theo dõi độ dự trữ công suất phản kháng 70 6. Phương pháp đánh giá online độ nhạy công suất phản kháng . 71 Chương 7 Mô phỏng và phân tích các sự cố diện rộng . Phương pháp nghiên cứu . Lưới điện mẫu IEEE 39 nút (New England) . Kịch bản mô phỏng cắt máy phát G9 (nút 38) . Ảnh hưởng của rơ le bảo vệ đối với sự cố lưới điện New England . Lưới điện Nordic Test system . Mô tả lưới điện Nordic và kịch bản sự cố sụp đổ điện áp . Đáp ứng của lưới Nordic khi xét đến ảnh hưởng của rơ le . Lưới điện Việt Nam năm 2012 . Mô tả chế độ làm việc . Lưới điện Việt nam 500-220kV . Kết luận chương . 108 Chương 8 GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN CHƯƠNG TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ . Mô hình nghiên cứu các tiêu chuẩn ổn định. Mô đun chương trình đánh giá ổn định dựa trên định thức ma trận Jacobi . Kết quả với lưới New England . Kết quả với lưới điện Nordic . Kết quả với lưới điện Việt Nam 500-220kV. Mô đun chương trình đánh giá ổn định dựa trên phân tích độ nhạy . Lưới điện New England . Lưới điện Nordic . Lưới Việt Nam 500-220kV . Mô đun chương trình đánh giá ổn định dựa trên phương pháp biến thiên thông số 118 8. Lưới điện New England . Lưới điện Nordic . Lưới điện Việt Nam . Mô đun chương trình phân tích ổn định dựa trên phương pháp mạng một cửa tương đương. Lưới điện New England . Lưới điện Nordic . Lưới điện Việt Nam 2012 . Mô đun chương trình phân tích ổn định dựa trên phương pháp đánh giá độ dự trữ công suất phản kháng . Đánh giá độ nhạy của lưới điện New England . Đánh giá độ nhạy của lưới điện mẫu Nordic . Đánh giá độ nhạy của lưới điện Việt Nam 2012 . 129 Chương 9 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NGĂN CHẶN RÃ LƯỚI. Sa thải phụ tải theo điện áp . Nguyên tắc chỉnh định . Đánh giá kết quả đối với một số HTĐ mẫu. Sa thải phụ tải thích nghi . Đánh giá khả năng tải dựa trên bài toán OPF với ràng buộc bổ sung . Kết quả mô phỏng . Kết luận chương . 143 Chương 10 KẾT LUẬN . Kết luận chung . Hướng phát triển của đề tài . 10-3 Tài liệu tham khảo . 1 x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Diễn biến điện áp tại một nút quan trọng trước và trong ngày diễn ra sự cố 14-8- 2003 tại Bắc Mỹ [4]. 3 Hình 2-1 Phân loại các dạng ổn định trong HTĐ. 8 Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý rơ le khoảng cách . 15 Hình 2-3 Sơ đồ nối máy phát với lưới và nguyên tắc chỉnh định rơ le phát hiện mất đồng bộ. 16 Hình 2-4 Quy định về khả năng chịu đựng quá kích từ máy phát. 17 Hình 2-5 Hiện tượng quá kích thích mạch từ và quá trình sụp đổ điện áp. 17 Hình 3-1 Biểu diễn biên độ và góc pha của tín hiệu điều hòa. 19 Hình 3-2 So sánh tín hiệu SCADA và PMU. 20 Hình 3-3 Góc pha quan sát đồng bộ trên lưới điện châu Âu, sự cố tháng 11/2006. 22 Hình 3-4 Tần số đo được từ PMU tại các vị trí khác nhau trên lưới điện châu Âu ngày 4/11/2006. Đồ thị cho thấy rõ thời điểm lưới điện châu Âu bị chia tách thành ba phần. 24 Hình 3-5 Kết quả mô phỏng và kết quả thực tế của sự kiện rã lưới, tháng 8/1996 tại Bắc Mỹ [27]. 26 Hình 3-6 Đáp ứng tần số của hệ thống điện với một sự kiện, được đặc trưng bởi tần số thấp nhất (C), giá trị xác lập (B), và thời gian tần số đạt giá trị ổn định sau khi quá trình điều tần cấp I kết thúc. 27 Hình 4-1 Minh họa cho luật quan sát thứ 1. 31 Hình 4-2 Minh họa luật quan sát thứ 2. 31 Hình 4-3 Minh họa cho luật quan sát thứ 3. 32 Hình 4-4 Sơ đồ rút gọn của MBA 2 cuộn dây. 33 Hình 4-5 Sơ đồ rút gọn của MBA 3 cuộn dây (hoặc tự ngẫu) . 33 Hình 4-6 Sơ đồ rút gọn các thiết bị bù ngang . 33 xi Hình 4-7 Sơ đồ rút gọn tù bụ dọc . 33 Hình 5-1 Sơ đồ hình Π thay thế cho nhánh ij. 48 Hình 5-2 Thuật toán thực hiện bài toán SE. 53 Hình 5-3 Sơ đồ lưới điện IEEE 14 nút . 54 Hình 5-4 So sánh độ lớn điện áp ước lượng và thực tế . 56 Hình 5-5 So sánh góc pha điện áp ước lượng và thực tế. 56 Hình 6-1 Quan sát lưới điện thu gọn. 62 Hình 6-2 Phương pháp đường cong V-Q. 66 Hình 6-3 Sơ đồ mạng 1 cửa xét tại nút k. 68 Hình 6-4 Hình vẽ thu gọn mạng điện nhiều cửa. 69 Hình 6-5 Dự trữ CSPK và khả năng tải. 70 Hình 7-1 Mô hình lưới điện New England (IEEE 39 nút). 74 Hình 7-2 Điện áp các nút lưới New England trong quá trình sụp đổ điện áp. 75 Hình 7-3 Công suất phản kháng các máy phát lưới New England trong quá trình sụp đổ điện áp. 76 Hình 7-4 Tốc độ các máy phát lưới New England, không xét đến rơ le. 77 Hình 7-5 Tốc độ các máy phát lưới New England, có xét đến các rơ le bảo vệ. 77 Hình 7-6 Công suất tác dụng các máy phát lưới New England, có xét đến các rơ le bảo vệ. 78 Hình 7-7 Sơ đồ lưới điện Nordic [53]. 80 Hình 7-8 Điện áp của các số nút theo thời gian. 81 Hình 7-9 Tốc độ các máy phát điện theo thời gian. 81 Hình 7-10 Tốc độ các máy phát điện lưới Nordic theo thời gian, xét đến các rơ le bảo vệ. 82 Hình 7-11 Điện áp các nút lưới Nordic, xét đến các rơ le bảo vệ. 83 xii Hình 7-12 Trào lưu công suất trước sự cố. 84 Hình 7-13 Điện áp các nút 500kV, kịch bản 1. 85 Hình 7-14 Đặc tính tổng trở nhìn từ rơ le khoảng cách 500kV Đăk Nông – Phú Lâm.