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

Mở đầu Các hệ thống điện (HTĐ) là một dây chuyền sản xuất, truyền tải năng lượng có quy mô rất lớn, về không gian địa lý cũng như số lượng các phần tử. Trong quá trình vận hành, HTĐ có thể chịu rất nhiều các tác động khác nhau, gây ảnh hưởng đến sự ổn định của chế độ làm việc. Trong những điều kiện làm việc nhất định và với các nhiễu loạn đủ lớn, hiện tượng mất ổn định HTĐ có thể xảy ra. Hiện tượng này kéo theo sự cắt điện lan truyền của các đường dây truyền tải, các máy phát điện.

Hậu quả của các sự cố này là một lượng rất lớn các phụ tải (phạm vi khu vực, thậm chí phạm vi quốc gia) bị ngừng cung cấp điện, trong thời gian dài, từ vài giờ đến vài ngày, gây thiệt hại rất lớn cho kinh tế xã hội. Vì lý do trên, việc phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ gây ra mất ổn định, đưa ra các biện pháp kịp thời có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình vận hành các HTĐ. Tuy vậy, do tính chất phức tạp của bài toán đánh giá mức độ ổn định, cho đến nay vấn đề này vẫn chưa được giải quyết triệt để. Các sự cố lớn trên diện rộng vẫn xảy ra, gần đây nhất đó là sự cố rã lưới khu vực Đông Bắc nước Mỹ (2003) [1], và sự cố rã lưới ngày 31/7/2012 tại lưới điện Ấn Độ [2].

Các sự cố rã lưới diện rộng trong những năm gần đây cho thấy, mặc dù công nghệ, hạ tầng cơ sở đo lường, thu thập dữ liệu và công cụ máy tính đã rất phát triển, vẫn cần có những nghiên cứu chuyên sâu hơn trong lĩnh vực phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ sự cố diện rộng trong HTĐ. Sự phức tạp của bài toán phân tích và đánh giá nguy cơ mất ổn định xuất phát từ những yếu tố sau: ▪ Quy mô của HTĐ, số lượng các phần tử trong hệ thống là rất lớn. ▪ Trong quá trình vận hành, sự hư hỏng của một vài phần tử quan trọng có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến mức độ ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ các khả năng mất ổn định đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn, với rất nhiều kịch bản.

Trên thực tế, việc mô phỏng chi tiết toàn bộ các kịch bản sự cố tại một thời điểm vận hành của hệ thống, cho đến thời điểm hiện tại là không khả thi. Các cơ chế gây ra mất ổn định của HTĐ là rất đa dạng. ▪ Sự mất ổn định của HTĐ có thể gây ra bởi mất cân bằng công suất tác dụng, khi có một nhà máy lớn bị sự cố cắt ra khỏi hệ thống. Đây là kịch bản rã lưới điển hình đối với HTĐ Việt nam trước khi xây dựng đường dây 500kV.

Bên cạnh đó, một số sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch tại thanh cái của các nhà máy lớn, mất các đường dây truyền tải hoặc các máy biến áp quan trọng cũng có thể gây nên các dao động tốc độ rất lớn, làm 1 mất cân bằng mô men điện-cơ trên các máy phát, dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ và tách hệ thống thành nhiều khu vực. ▪ Cuối cùng, phải nói đến cơ chế mất ổn định điện áp, là nguyên nhân của hầu hết các sự cố rã lưới trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Quá trình mất ổn định điện áp thường xuất phát từ sự thiếu hụt mức cung cấp công suất phản kháng tại một khu vực nhất định trong hệ thống. Sau đó, các cố gắng của người vận hành nhằm khôi phục điện áp lại gây ra quá tải một số đường dây truyền tải điện và hệ thống kích từ của máy phát.

Khi mức quá tải tăng dần, một phần tử quan trọng sẽ bị cắt ra do hệ thống bảo vệ rơ le, làm quá tải trầm trọng hơn đối với các phần tử còn lại và dẫn đến cắt điện lan truyền không kiểm soát được. Hội Điện lực Quốc tế, thuộc hiệp hội điện-điện tử IEEE đã tổng kết và phân loại các dạng ổn định của HTĐ theo ba cơ chế mất ổn định nêu ở trên, bao gồm ổn định tần số, ổn định góc lệch, và ổn định điện áp [3]. Khả năng của hệ thống giám sát và thu thập số liệu SCADA ▪ Mặc dù công nghệ thông tin, truyền thông và máy tính đã có những phát triển vượt bậc trong những thập kỷ gần đây, việc thu thập và đưa về trung tâm điều độ số liệu vận hành tại mọi vị trí trong HTĐ vẫn là công việc không khả thi, do số lượng các nút, các phần tử trong hệ thống là rất lớn, khối lượng thông tin cần truyền tải rất nhiều. Ngoài ra, chi phí thực hiện các hệ thống thu thập số liệu cũng không nhỏ, đặc biệt khi các số liệu có yêu cầu về đồng bộ thời gian.

▪ Khả năng của người vận hành hệ thống đánh giá được chính xác mức độ ổn định của hệ thống, dựa trên các thông số vận hành. ▪ Bên cạnh sự trợ giúp của công cụ máy tính, kinh nghiệm của người vận hành cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá mức độ ổn định của lưới. Khi kích thước của HTĐ không lớn và trào lưu công suất ổn định, người vận hành có thể đánh giá tương đối chính xác mức ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, khi kích thước của hệ thống tăng lên, với trào lưu công suất trên các đường truyền tải biến động liên tục, khả năng bao quát đánh giá mức ổn định của người vận hành trở nên rất hạn chế.

Các báo cáo phân tích sự cố rã lưới diện rộng tại Đông Bắc nước Mỹ [1], [4] đã kết luận một trong những lý do quan trọng của sự cố là do người vận hành không đánh giá được mức độ trầm trọng của hệ thống tại thời điểm 1-2 giờ trước khi xảy ra hiện tượng sụp đổ, cắt điện lan truyền (lack of situational awareness). Hình 1-1 minh họa diễn biến điện áp tại một nút quan trọng trước và trong ngày diễn ra sự cố 14-8-2003 tại Bắc Mỹ. Vào ngày14-8, điện áp nút quan sát ở thời điểm trước khi xảy ra rã lưới chỉ thấp hơn điện áp cùng giờ trong các ngày trước đó không đáng kể, vì vậy người vận hành không cảm nhận được mức độ nguy hiểm của tình trạng làm việc của hệ thống. 2 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].

Từ những tổng hợp và phân tích các sự cố rã lưới trên diện rộng trên thế giới và tại Việt Nam trong những năm gần đây, có thể thấy cần có các nghiên cứu chuyên sâu để tăng cường khả năng phát hiện và ngăn ngừa sớm các sự cố lớn trong hệ thống. Các giải pháp kỹ thuật chủ yếu để giải quyết bài toán này hiện nay được thực hiện theo những hướng sau [5]: ▪ Tăng cường đo lường giám sát tại nhiều vị trí quan trọng trong hệ thống, sử dụng các công nghệ đo lường tiên tiến như đo lường sử dụng tín hiệu đồng bộ thời gian. ▪ Phát triển các giải thuật phân tích nhanh với độ tin cậy cao mức độ an toàn của các HTĐ, nhằm trợ giúp cho quá trình ra quyết định của người vận hành. ▪ Nghiên cứu tối ưu hóa các giải pháp điều khiển nhanh để tránh hiện tượng sụp đổ điện áp ▪ Tăng cường công tác đào tạo, nâng cao trình độ, kỹ năng đánh giá hệ thống cho các điều độ viên, trên cơ sở mô phỏng lại các quá trình sự cố rã lưới trên thực tế, phân tích các giải pháp đã có thể được tiến hành đề ngăn ngừa.

Thông qua đó, điều độ viên được tích lũy kinh nghiệm để ứng phó tốt hơn với các tình huống có thể xảy ra. Trên cơ sở thu thập các kinh nghiệm, tìm hiểu các phương pháp phân tích mới về đánh giá ổn định của HTĐ, kết hợp với tình hình thực tế tại Việt Nam, đề tài nghiên cứu khoa học được đề xuất nhằm giải quyết một phần các bài toán được đặt ra nêu trên. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với quá trình đổi mới và phát triển kinh tế của đất nước, HTĐ Việt Nam đang có những bước phát triển nhảy vọt, cả về quy mô công suất lẫn phạm vi cung cấp điện. Từ năm 1994 đường dây siêu cao áp 500kV được xây dựng suốt chiều dài đất nước (gần 1500km) và được đưa vào vận hành, hợp nhất HTĐ Bắc-Trung-Nam.

Kể từ năm 1994 đến nay, cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ của nhu cầu cung cấp điện, hàng loạt các nhà máy điện, các đường dây truyền tải đã và đang được đưa vào vận hành. Hệ thống lưới điện 500kV cũng được phát triển mở rộng. Mạch đường dây 500kV ban đầu đã được nâng cấp thành mạch kép. Từ vai trò ban đầu đưa điện từ Bắc vào Nam qua các trạm Hòa Bình, Nho Quan, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku và Phú Lâm, đến nay đã có rất nhiều đường dây 500kV và các trạm biến áp 500kV được xây dựng trong phạm vi toàn quốc (trạm Sơn La, Dốc Sỏi, Thường Tín, Quảng Ninh ở miền Bắc, các trạm Di Linh, Tân Định, Ô Môn, Phú Mỹ ở miền Nam).

Theo quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam giai đoạn 2011-2030 [6], hàng loạt các đường dây và trạm 500kV cũng được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải điện, đặc biệt là khi có cụm nhà máy điện hạt nhân ở Ninh Thuận. Có thể nói hệ thống lưới điện truyền tải 500kV đã trở thành xương sống chính của lưới điện truyền tải quốc gia. Vì vậy việc giám sát và đánh giá tình trạng vận hành của hệ thống lưới 500kV có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo sự vận hành ổn định của toàn bộ hệ thống sản xuất truyền tải và phân phối điện. Quá trình vận hành đường dây 500kV trong những năm gần đây bộc lộ những vấn đề cấp thiết: ▪ Mức mang tải của các đường dây 500kV đang trở nên rất căng thẳng, trong một số ngày cao điểm, dòng điện trên các đường dây 500kV đã lên đến gần giới hạn nhiệt của đường dây.

Đây là giới hạn không thể cho phép vượt qua. ▪ Trong tương lai gần, mức truyền tải trên hệ thống lưới điện 500kV sẽ tiếp tục tăng cao. Do đó, các nguy cơ tiềm ẩn về mất ổn định và rã lưới càng cần được quan tâm đặc biệt. ▪ Khi thị trường điện được hình thành hoàn chỉnh, các công ty điện lực có xu hướng tận dụng tối đa hạ tầng truyền tải sẵn có, đẩy mức truyền tải lên ngưỡng cao, kéo theo giảm mức độ dự trữ ổn định.