Luận văn nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối lộ đường dây 373 trạm E13.2 Lạng Sơn

Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối áp dụng cho lộ đường dây 373 trạm E13.2 thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn.

• Tác giả: Phùng Đức Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hiền Trung
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối áp dụng cho lộ đường dây 373 trạm E13.2 Lạng Sơn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về lưới điện phân phối lộ 373 trạm E13

Lưới điện phân phối lộ 373 thuộc trạm E13.2 Lạng Sơn là hệ thống cung cấp điện trung áp phục vụ khu vực huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. Đây là công trình do Công ty Điện lực Lạng Sơn quản lý và vận hành, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo điện năng cho sản xuất và sinh hoạt của người dân địa phương. Lộ đường dây 373 có cấu trúc phức tạp, trải dài qua nhiều địa bàn miền núi với địa hình hiểm trở. Hệ thống bao gồm nhiều nhánh rẽ cấp điện cho hàng chục trạm biến áp phân tán. Nghiên cứu này được thực hiện bởi tác giả Phùng Đức Đạt tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hiền Trung. Mục tiêu chính là đánh giá hiện trạng vận hành và đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả hệ thống. Số liệu thực tế được thu thập trực tiếp từ Điện lực Lộc Bình, đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn. Các giải pháp đề xuất hướng tới giảm tổn thất điện năng, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa vận hành toàn bộ lộ đường dây.

1.1. Đặc điểm địa lý và quy mô lộ đường dây 373

Lộ đường dây 373 xuất phát từ trạm biến áp E13.2 Lạng Sơn, phục vụ khu vực huyện Lộc Bình và các vùng lân cận. Đường dây trải dài qua địa hình đồi núi phức tạp, bao gồm các nhánh rẽ chính như Chi Ma, Bính Xá, Châu Sơn và Na Dương. Hệ thống hiện có nhiều trạm biến áp phân tán, trong đó nhánh rẽ Chi Ma cấp điện cho 24 trạm biến áp và nhánh rẽ Lộc Bình cấp điện cho 8 trạm biến áp. Cấu trúc lưới phức tạp đặt ra yêu cầu cao về công tác quản lý vận hành và bảo trì hệ thống.

1.2. Vai trò của trạm E13.2 trong hệ thống điện Lạng Sơn

Trạm E13.2 Lạng Sơn là trạm biến áp trung gian quan trọng, cung cấp nguồn cho nhiều lộ đường dây phân phối trong khu vực. Lộ 373 là một trong các xuất tuyến chính từ trạm này, chịu trách nhiệm cấp điện liên tục cho khu vực huyện Lộc Bình. Trạm được trang bị hệ thống bảo vệ rơle hiện đại, bao gồm rơle 7SJ600 với các thông số bảo vệ cấp I đặt tại mức dòng 400A, thời gian 1,5 giây và bảo vệ cấp II tại 600A, thời gian 0,3 giây. Hệ thống có khả năng kết nối SCADA phục vụ giám sát từ xa.

II. Phân tích hiện trạng và vấn đề vận hành lộ 373 E13

Lộ đường dây 373 trạm E13.2 Lạng Sơn hiện đang đối mặt với nhiều vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cung cấp điện. Tổn thất điện năng trên lưới còn ở mức cao do cấu hình lưới hình tia, khoảng cách cấp điện dài và tiết diện dây dẫn chưa phù hợp với tải. Số lần sự cố hàng năm còn nhiều, chủ yếu do điều kiện thời tiết khắc nghiệt tại vùng núi Lạng Sơn gây ra. Thiết bị phân đoạn trên lưới còn thiếu, dẫn đến vùng mất điện khi sự cố rộng, thời gian phục hồi điện kéo dài. Hệ thống hiện sử dụng cầu dao phân đoạn tự động (CDPT) ở nhiều vị trí nhưng năng lực chuyển mạch còn hạn chế. Các máy cắt Recloser đã được lắp đặt tại một số nút quan trọng như MC373E13.2/134, MC373E13.2/235 với chức năng tự đóng lại sau 30 giây, góp phần giảm thiểu mất điện do sự cố thoáng qua. Tuy nhiên, mật độ thiết bị bảo vệ và phân đoạn chưa đủ để đáp ứng yêu cầu vận hành tin cậy toàn bộ lộ đường dây.

2.1. Thực trạng thiết bị bảo vệ và phân đoạn hiện hữu

Hiện tại, lộ 373 E13.2 được bảo vệ bằng hệ thống rơle 7SJ600 tại đầu xuất tuyến và một số Recloser dọc theo đường dây. Các máy cắt Recloser Cooper sử dụng tỷ số biến dòng 2000/1, với ngưỡng dòng điện pha cài đặt từ 300A đến 1550A tùy vị trí. Dòng điện thứ tự không I0 được cài đặt từ 24A đến 32A cho chức năng bảo vệ chạm đất. Cạnh đó, nhiều CDPT không có chức năng tự động đóng lại, hạn chế khả năng phục hồi nhanh sau sự cố. Tình trạng này làm tăng thời gian mất điện cho khách hàng.

2.2. Các nguyên nhân gây tổn thất và mất điện trên lộ 373

Tổn thất điện năng trên lộ 373 xuất phát từ nhiều nguyên nhân kỹ thuật và phi kỹ thuật. Về kỹ thuật, tiết diện dây dẫn tại một số đoạn nhỏ so với công suất tải thực tế, tạo ra tổn thất đồng lớn. Cấu hình lưới hình tia không cho phép chuyển tải linh hoạt khi sự cố. Sự cố do yếu tố môi trường như giông sét, cây đổ thường xuyên xảy ra trong mùa mưa. Sự vắng mặt của thiết bị chỉ thị sự cố (FPI) tại nhiều vị trí gây khó khăn trong xác định điểm sự cố, kéo dài thời gian cắt điện xử lý.

III. Giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối lộ 373

Nghiên cứu đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lộ đường dây 373 trạm E13.2 Lạng Sơn. Giải pháp trọng tâm là hiện đại hóa hệ thống thiết bị phân đoạn và bảo vệ trên toàn lộ đường dây. Cụ thể, thay thế 6 cầu dao phân đoạn tự động (CDPT) bằng máy cắt Recloser tại các vị trí nhánh rẽ chính, bao gồm các nhánh Bính Xá, Châu Sơn, Hiệp Hạ - Minh Phát và khu vực Thị trấn Lộc Bình. Bổ sung mới 1 Recloser tại khoảng cột 73-81 phục vụ nhánh rẽ Chi Ma, cấp điện cho 24 trạm biến áp trong khu vực. Song song đó, lắp đặt 4 thiết bị chỉ thị sự cố FPI tại các vị trí chiến lược gồm khoảng cột 69-92 K.Chắt, khoảng cột 24-16 B.Bằng, khoảng cột 02-05 NT T.Bình và khoảng cột 63-14 Bính Xá. Các FPI được lắp đặt sau các thiết bị đóng cắt hiện hữu, không ảnh hưởng lẫn nhau trong bán kính 100m. Tổng cộng có 6 Recloser được thay thế và 1 Recloser bổ sung mới, nâng tổng số Recloser trên lộ lên mức đáp ứng yêu cầu vận hành tin cậy.

3.1. Phương án lắp đặt Recloser thay thế CDPT trên lộ 373

Việc thay thế CDPT bằng Recloser được thực hiện có chọn lọc tại các nhánh rẽ chính có lưu lượng phụ tải lớn. Recloser REC4-7/63-1 thay thế CDPT 373E13.2-7/63-1 tại Bính Xá, REC4-7/464 thay CDPT 373E13.2-7/464 tại Châu Sơn. Nhánh rẽ Hiệp Hạ - Minh Phát được trang bị REC4-7/55 cấp điện cho 11 trạm biến áp. Trạm Lộc Bình nhận Recloser REC4-7/208 thay thế DCL 373E13.2-7/208 cấp điện cho 8 trạm biến áp. Tất cả Recloser được cài đặt chức năng tự đóng lại sau 30 giây, giảm thiểu tối đa thời gian mất điện do sự cố thoáng qua.

3.2. Ứng dụng thiết bị chỉ thị sự cố FPI trên lưới phân phối

Thiết bị chỉ thị sự cố FPI được lựa chọn lắp đặt dựa trên khảo sát thực địa toàn bộ lộ đường dây. Tiêu chí lựa chọn vị trí gồm: cuối nguồn, không có ảnh hưởng lẫn nhau trong bán kính 100m khi lắp tủ điều khiển. Bốn vị trí FPI được chọn giúp bao phủ các đoạn lưới có nguy cơ sự cố cao. Khi sự cố xảy ra, nhân viên vận hành dựa vào tín hiệu FPI xác định ngay vị trí hư hỏng mà không cần tuần tra toàn tuyến. Giải pháp này rút ngắn đáng kể thời gian xác định và khắc phục sự cố, nâng cao chỉ số độ tin cậy SAIDI và SAIFI của lưới điện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn tại lưới điện Lạng Sơn

Nghiên cứu nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối lộ 373 trạm E13.2 Lạng Sơn đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn có giá trị. Hệ thống giải pháp đề xuất gồm hiện đại hóa thiết bị phân đoạn, bổ sung FPI và tối ưu cài đặt bảo vệ tạo thành một thể thống nhất, hướng tới mục tiêu giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Kết quả mô phỏng và phân tích số liệu thực tế cho thấy các giải pháp đề xuất có tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc thay thế 6 CDPT bằng Recloser và bổ sung mới 1 Recloser tại nhánh Chi Ma giúp thu hẹp đáng kể vùng mất điện khi sự cố. Lắp đặt 4 thiết bị FPI rút ngắn thời gian xác định điểm sự cố từ vài giờ xuống còn vài chục phút. Các kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị áp dụng cho lộ 373 mà còn cung cấp phương pháp luận tham khảo cho các lộ đường dây phân phối tương tự tại Lạng Sơn và các tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam. Nghiên cứu khuyến nghị Công ty Điện lực Lạng Sơn xem xét triển khai theo giai đoạn, ưu tiên các nhánh rẽ có mật độ phụ tải cao và tần suất sự cố lớn.

4.1. Hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của giải pháp đề xuất

Các giải pháp đề xuất mang lại hiệu quả kép về kỹ thuật và kinh tế. Về kỹ thuật, hệ thống Recloser kết hợp FPI giúp giảm chỉ số SAIDI (thời gian mất điện trung bình) và SAIFI (tần suất mất điện trung bình) xuống mức đáng kể. Thời gian phục hồi điện sau sự cố được rút ngắn nhờ khả năng xác định và cô lập nhanh điểm hư hỏng. Về kinh tế, chi phí đầu tư thiết bị được bù đắp qua giảm sản lượng điện không cung cấp được và tăng doanh thu từ điện năng thương phẩm. Vòng đời kinh tế của dự án được đánh giá là tích cực trong dài hạn.

4.2. Khả năng nhân rộng mô hình cho các lưới điện tương tự

Mô hình nghiên cứu áp dụng cho lộ 373 E13.2 Lạng Sơn có thể làm cơ sở tham khảo cho các đơn vị điện lực quản lý lưới phân phối tại vùng núi. Phương pháp khảo sát, đánh giá hiện trạng và lựa chọn giải pháp theo quy trình bài bản là bài học kinh nghiệm thiết thực. Tiêu chí lựa chọn vị trí lắp FPI và Recloser có thể chuẩn hóa thành quy trình chung áp dụng cho các lộ đường dây khác. Điều kiện cần là có đủ số liệu vận hành thực tế và sự phối hợp chặt chẽ giữa đơn vị nghiên cứu và đơn vị quản lý lưới điện địa phương.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp giữ vai trò huyết mạch trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho sự phát triển kinh tế và đời sống xã hội. Tuy nhiên, tại khu vực miền núi phía Bắc với địa hình đồi núi chia cắt phức tạp và điều kiện thời tiết khắc nghiệt, công tác quản lý vận hành đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Điển hình là lộ đường dây 373 xuất tuyến từ trạm biến áp 110 kV Lạng Sơn (E13.2) có quy mô rất lớn với tổng chiều dài đường dây lên tới 539,124 km, cấp điện cho 216 trạm biến áp phân phối với tổng công suất đặt 50.193 kVA. Tuyến đường dây này đảm nhận nhiệm vụ cấp điện cho phụ tải toàn huyện Lộc Bình, huyện Đình Lập, phần lớn huyện Cao Lộc và một số xã thuộc huyện Chi Lăng.

Theo số liệu thống kê kỹ thuật lũy kế 12 tháng năm 2022, trên lộ 373E13.2 đã xảy ra số lượng sự cố rất cao, riêng địa bàn do Điện lực Lộc Bình quản lý ghi nhận 110 vụ sự cố thoáng qua và 43 vụ sự cố vĩnh cửu, chiếm tỷ lệ tới 55% tổng số vụ sự cố trên toàn lưới điện tỉnh Lạng Sơn. Mặc dù trên tuyến đã được trang bị 70 dao cách ly, 23 cầu dao phụ tải, 15 máy cắt tự đóng lại Recloser và 5 cầu dao phụ tải có tải LBS, song hệ thống bảo vệ vẫn thường xuyên xảy ra tình trạng tác động sai và nhảy vượt cấp. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc các Recloser thuộc nhiều chủng loại khác nhau, thời gian chỉnh định bảo vệ phía đầu nguồn trạm 110 kV rất ngắn và các thiết bị đang vận hành với thông số cài đặt độc lập.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng kỹ thuật, phân tích nguyên nhân sự cố, từ đó đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa thiết bị đóng cắt và tính toán chỉnh định phối hợp bảo vệ bằng công cụ mô phỏng chuyên dụng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lộ 373E13.2 do Điện lực Lộc Bình thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn quản lý trong giai đoạn 2021 đến 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn sâu sắc trong việc cải thiện trực tiếp chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI) từ mức 200,716 phút của năm 2021 xuống mức thấp hơn, đồng thời kéo giảm chỉ số tần suất mất điện trung bình của hệ thống (SAIFI) từ 2,184 lần trên mỗi khách hàng mỗi năm, nâng cao hiệu quả kinh doanh và chất lượng dịch vụ điện năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa hai hệ thống lý thuyết cốt lõi của chuyên ngành kỹ thuật điện:

Thứ nhất là lý thuyết đánh giá độ tin cậy hệ thống điện phân phối theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1366 và các quy định hiện hành của Bộ Công Thương tại Thông tư 39 ban hành năm 2015. Lý thuyết này lượng hóa mức độ cung cấp điện an toàn thông qua các chỉ số độ tin cậy cơ bản bao gồm: tần suất mất điện trung bình của hệ thống (SAIFI), thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI), thời gian mất điện trung bình của khách hàng khi xảy ra sự cố (CAIDI), tần suất mất điện thoáng qua trung bình (MAIFI), hệ số sẵn sàng phục vụ trung bình (ASAI), cùng các chỉ số tổn thất điện năng không cung cấp được (ENS và AENS).

Thứ hai là nguyên lý bảo vệ rơle và tự động hóa trong lưới điện phân phối theo tiêu chuẩn IEC 60255. Nghiên cứu khai thác lý thuyết bảo vệ quá dòng nhiều cấp (cấp I cắt nhanh không thời gian hoặc thời gian ngắn và cấp II quá dòng có thời gian), kết hợp nguyên lý tự động đóng lặp lại nhiều lần của Recloser. Khung lý thuyết này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa các đường đặc tính thời gian dòng điện (đặc tính độc lập hoặc phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEEE/IEC) nhằm đảm bảo tính chọn lọc, độ nhạy và tác động tin cậy khi xảy ra sự cố ngắn mạch nhiều pha hoặc chạm đất.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm: phân đoạn vùng sự cố bằng thiết bị đóng cắt thông minh, cấu trúc lưới điện mạch kín vận hành hở, nguyên lý khoanh vùng nhanh sự cố dựa trên thiết bị chỉ báo sự cố FPI (Fault Passage Indicators) và tự động hóa lưới điện phân phối (DAS).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập trực tiếp từ cơ sở dữ liệu vận hành thực tế của Phòng Điều độ (B13) thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn và hồ sơ theo dõi sự cố tại Điện lực Lộc Bình giai đoạn 2021-2022. Dữ liệu bao gồm các thông số kỹ thuật nguồn điện từ thanh cái 110 kV, thông số 2 máy biến áp 40 MVA trạm E13.2, kết cấu dây dẫn AC-185/29, công suất và vị trí của 216 trạm biến áp, cùng sơ đồ bố trí các thiết bị đóng cắt trên toàn tuyến.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ xuất tuyến lộ 373E13.2 với tổng chiều dài 539,124 km, cấp điện cho 216 trạm biến áp và trải dài trên 1.245 nút lưới (bus) thực tế. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn phần đại diện cho xuất tuyến nông thôn miền núi có địa bàn rộng lớn và suất sự cố cao nhất của đơn vị. Lý do lựa chọn cỡ mẫu này là để giải quyết triệt để bài toán đặc thù của lưới điện có bán kính cấp điện quá xa và phân đoạn phức tạp.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số trên phần mềm ETAP (Electrical Transient Analyzer Program). Lý do lựa chọn ETAP là vì đây là phần mềm chuyên ngành mạnh mẽ hàng đầu thế giới, có khả năng tính toán chính xác dòng phân bố trào lưu công suất, phân tích các dạng ngắn mạch đối xứng và bất đối xứng trên hệ thống phức tạp quy mô trên 1.000 nút. Đồng thời, module phối hợp bảo vệ Star TCC của ETAP cho phép trực quan hóa đường cong đặc tính của rơle số Siemens 7SJ600 và các Recloser của Schneider hay Cooper, hỗ trợ việc chỉnh định thông số với độ chính xác cao mà các phép tính tay truyền thống không thể thực hiện được. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu và mô phỏng được hoàn thành trong quý 1 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu thực tế và kết quả mô phỏng kỹ thuật trên lộ 373E13.2 đã đem lại 4 phát hiện quan trọng:

Một là, hiện tượng tác động vượt cấp diễn ra nghiêm trọng do sự mất cân đối trong phối hợp thời gian bảo vệ. Tại trạm 110 kV, bảo vệ quá dòng cấp hai của rơle 7SJ600 tại máy cắt xuất tuyến 373 chỉ được cài đặt thời gian trễ 0,3 giây cho dòng khởi động 600 A. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch vượt quá 1.300 A tại các nhánh rẽ sâu trên lưới, rơle đầu nguồn đã tác động đồng thời với Recloser phân đoạn (như máy cắt MC 373E13.2/134 Bản Ngà), khiến toàn bộ lộ 373 bị mất điện diện rộng thay vì chỉ cô lập nhánh rẽ bị sự cố.

Hai là, suất sự cố tập trung phần lớn tại địa bàn rừng núi hiểm trở. Trong tổng số 153 vụ sự cố vĩnh cửu và thoáng qua trên tuyến năm 2022, có tới 71,9% số vụ xảy ra trên phần lưới do Điện lực Lộc Bình quản lý (gồm 110 vụ thoáng qua và 43 vụ vĩnh cửu). Nguyên nhân do mưa giông, sét đánh làm đứt dây, vỡ sứ cách điện và hiện tượng cây ngã đổ vào đường hành lang tuyến chiếm hơn 65% tổng số nguyên nhân sự cố.

Ba là, mức độ tự động hóa và năng lực khoanh vùng sự cố còn thấp. Trên toàn bộ 539,124 km đường dây chỉ mới được trang bị 04 bộ chỉ thị sự cố FPI tại các khoảng cột 43-16 Nông Quốc, 80-93 Nông Trường - Lâm Ca, 235-236 Lộc Bình - Na Dương và 03-460 Cường Lợi. Do địa hình đồi núi hiểm trở, việc thiếu thiết bị cảnh báo từ xa khiến thời gian nhân viên đi tuần tra, phát hiện điểm ngắn mạch và thao tác cô lập thủ công kéo dài từ 2,0 đến 4,0 giờ mỗi lần mất điện.

Bốn là, mô phỏng đánh giá độ tin cậy bằng phần mềm ETAP khẳng định giải pháp thay thế 06 vị trí dao cách ly, cầu dao phụ tải bằng Recloser kết hợp lắp mới 04 bộ FPI giúp cải thiện vượt bậc chỉ số vận hành. Tần suất mất điện trung bình SAIFI của toàn tuyến giảm mạnh từ 2,20 lần xuống còn 1,15 lần mất điện trên mỗi khách hàng mỗi năm, tương ứng mức giảm 47,7%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng bảo vệ tác động không đúng xuất phát từ việc cài đặt thông số độc lập, không có sự tính toán phối hợp tổng thể giữa đơn vị thí nghiệm điện phía nguồn và đơn vị quản lý vận hành phía lưới điện phân phối. Mức chỉnh định dòng khởi động pha và dòng chạm đất của các Recloser Cooper và Schneider tại các nhánh rẽ chưa được tính toán dựa trên trị số ngắn mạch thực tế trích xuất từ phần mềm mô phỏng. Khi xảy ra sự cố chạm đất một pha hoặc ngắn mạch nhiều pha, dòng điện sự cố lớn lan truyền qua nhiều cấp thiết bị đóng cắt nhưng bậc chênh lệch thời gian giữa các cấp rơle không đạt mức an toàn tối thiểu từ 0,2 đến 0,3 giây.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành điện lực, kết quả này chứng minh rằng việc áp dụng cấu trúc mạch kín vận hành hở kết hợp phân đoạn bằng máy cắt Recloser tự động luôn mang lại hiệu quả vượt trội so với phân đoạn bằng dao cách ly cơ khí. Phân tích giải tích cho thấy khi sử dụng dao cách ly, thời gian mất điện trung bình hàng năm của khách hàng (SAIDI) là 2,58 giờ, nhưng khi chuyển đổi sang cơ chế phân đoạn tự động bằng Recloser và chuyển tải qua điểm mở mạch vòng, chỉ số SAIDI giảm xuống chỉ còn 1,80 giờ mỗi khách hàng mỗi năm (cải thiện hơn 30,2%).

Các dữ liệu nghiên cứu trong đề tài có thể được trình bày và đối sánh rất trực quan thông qua hai định dạng:

Định dạng thứ nhất là bảng số liệu so sánh đa tiêu chí giữa phương án hiện trạng và phương án đề xuất trên phần mềm ETAP. Bảng tổng hợp thể hiện chi tiết sự thay đổi của các chỉ số SAIFI, SAIDI, CAIDI và ASAI tại từng nút phụ tải trọng điểm như cụm thị trấn Lộc Bình, Chi Ma, Khuất Xá và Bính Xá, minh chứng rõ rệt mức giảm thời gian mất điện của từng nhóm khách hàng.

Định dạng thứ hai là đồ thị đường cong phối hợp bảo vệ thời gian dòng điện (TCC) trích xuất từ ETAP. Đồ thị thể hiện trực quan mối tương quan giữa đặc tính quá dòng của rơle 7SJ600 phía nguồn trạm 110 kV với 4 cấp Recloser hạ lưu. Trên biểu đồ, các đường đặc tính phân tách rõ ràng với khoảng thời gian dự phòng 0,25 giây, loại bỏ hoàn toàn các điểm giao cắt nguy hiểm, giúp người vận hành quan sát dễ dàng tính chọn lọc tuyệt đối của hệ thống bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

Để nâng cao toàn diện hiệu quả vận hành và độ tin cậy cung cấp điện trên lộ đường dây 373E13.2, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và tổ chức có tính khả thi cao:

Thứ nhất, thay thế và lắp đặt bổ sung 06 máy cắt Recloser thông minh tại các nhánh rẽ trọng yếu. Cụ thể, thay thế cầu dao phụ tải bằng Recloser tại các vị trí: cột 63-1 Bính Xá, cột 464 Châu Sơn, cột 55 Hiệp Hạ - Minh Phát; thay thế dao cách ly bằng Recloser tại cột 208 thị trấn Lộc Bình; đồng thời lắp mới 01 Recloser tại cột 73-81 cho nhánh rẽ Chi Ma (cấp điện cho 24 trạm biến áp). Dự án do Công ty Điện lực Lạng Sơn làm chủ đầu tư, triển khai hoàn thành trong quý 3 năm 2023, đặt mục tiêu kéo giảm chỉ số SAIFI của tuyến xuống dưới 1,20 lần trên mỗi khách hàng mỗi năm.

Thứ hai, lắp đặt bổ sung 04 bộ thiết bị chỉ báo sự cố FPI mã hiệu Flite 116-SA tích hợp truyền thông không dây GSM/GPRS. Các vị trí đề xuất lắp đặt bao gồm: cột 69-92 Khuất Chắt, cột 24-16 Bản Bằng, cột 02-05 Nông trường Thái Bình và cột 63-14 Bính Xá. Phòng Kỹ thuật và Điện lực Lộc Bình chịu trách nhiệm triển khai trong 6 tháng cuối năm 2023, nhằm rút ngắn thời gian phát hiện và định vị điểm sự cố từ 2,73 giờ xuống dưới 0,5 giờ mỗi vụ.

Thứ ba, tái tính toán và chỉnh định đồng bộ thông số bảo vệ của rơle số 7SJ600 tại trạm 110 kV và toàn bộ 15 Recloser trên tuyến dựa trên kết quả tính toán ngắn mạch từ ETAP. Thiết lập thời gian trễ có chọn lọc với bậc chênh lệch thời gian tối thiểu 0,25 giây giữa các cấp bảo vệ liên kề. Kỹ sư phương thức Phòng Điều độ B13 hoàn thành việc nạp thông số cài đặt mới trong tháng 5 năm 2023, cam kết triệt tiêu 100% các trường hợp máy cắt tác động nhảy vượt cấp ngoài ý muốn.

Thứ tư, đẩy mạnh ứng dụng sửa chữa điện nóng (Hotline) và hoàn thiện hệ thống cáp quang kết nối SCADA về Trung tâm điều khiển xa. Tổng Công ty Điện lực Miền Bắc và Công ty Điện lực Lạng Sơn chủ trì thực hiện giai đoạn 2023 đến 2024, phấn đấu hạ chỉ số SAIDI của Điện lực Lộc Bình xuống dưới 150 phút mỗi khách hàng mỗi năm, đồng thời tăng cường phát quang hành lang tuyến và lắp đặt mỏ phóng sét tại các khu vực đồi núi có mật độ giông sét cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư điều độ, cán bộ phương thức và nhân viên bảo vệ rơle tại các Công ty Điện lực. Luận văn cung cấp hướng dẫn chi tiết về quy trình mô hình hóa lưới điện thực tế trên phần mềm ETAP, phương pháp tính toán ngắn mạch và quy tắc cài đặt phối hợp giữa rơle trạm chính với các dòng Recloser khác nhau (Cooper, Schneider, Nu-Lec). Đây là tài liệu tra cứu trực tiếp để tối ưu hóa vận hành cho hơn 98 trạm Recloser trên địa bàn toàn tỉnh Lạng Sơn và các địa phương có cấu trúc lưới tương tự.

Nhóm thứ hai là ban giám đốc và cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Điện lực địa phương (như Điện lực Lộc Bình, Đình Lập, Cao Lộc). Tài liệu hỗ trợ xây dựng chiến lược quản lý kỹ thuật bài bản, áp dụng bộ chỉ số IEEE 1366 để đánh giá độ tin cậy, từ đó lập kế hoạch đầu tư thiết bị đóng cắt thông minh và thiết bị chỉ thị FPI một cách kinh tế nhất, quản lý tối ưu 216 trạm biến áp và hơn 539 km đường trục.

Nhóm thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện (Mã ngành 8520201). Luận văn là một case study thực chứng điển hình, kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ sở lý thuyết, bài toán tối ưu độ tin cậy, thuật toán mô phỏng hệ thống điện phức tạp trên 1.200 nút và thực tiễn vận hành công nghiệp.

Nhóm thứ tư là các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây lắp công trình điện lực. Báo cáo cung cấp các số liệu thực tế về thông số máy biến áp 40 MVA, phụ tải đỉnh 50.193 kVA, cùng các phương án lựa chọn cấu hình lưới hình tia phân đoạn và mạch kín vận hành hở, giúp định hình thiết kế các dự án hiện đại hóa lưới điện trung áp nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi khiến lộ đường dây 373E13.2 Lạng Sơn thường xuyên xảy ra tình trạng nhảy máy cắt vượt cấp là gì? Hiện tượng nhảy vượt cấp xuất phát từ việc rơle bảo vệ quá dòng 7SJ600 tại trạm 110 kV được cài đặt thời gian cắt cấp hai quá ngắn (chỉ 0,3 giây với ngưỡng dòng 600 A). Trong khi đó, các Recloser trên tuyến dài 539,124 km được cài đặt độc lập. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch lớn trên 1.300 A, cả rơle nguồn và Recloser hạ lưu cùng gửi lệnh cắt đồng thời, gây mất điện toàn tuyến.

Thiết bị chỉ báo sự cố FPI Flite 116-SA đóng vai trò như thế nào trong việc cải thiện độ tin cậy lưới điện? Thiết bị FPI Flite 116-SA hoạt động như một cảm biến dòng thông minh, phát hiện chiều dòng ngắn mạch và tự động truyền tín hiệu cảnh báo qua mạng GSM/GPRS về phòng điều độ. Việc lắp đặt 04 bộ FPI mới giúp thu hẹp phạm vi tìm kiếm sự cố trên tuyến dây 539 km hiểm trở, giảm thời gian dò tìm sự cố thủ công từ 4,0 giờ xuống dưới 0,5 giờ.

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên thay thế 06 vị trí dao cách ly và cầu dao phụ tải bằng máy cắt Recloser tự động? Do các vị trí này nằm tại đầu các nhánh rẽ tập trung mật độ phụ tải rất lớn, điển hình như nhánh Chi Ma cấp điện cho 24 trạm biến áp hay nhánh Châu Sơn cấp điện cho 11 trạm biến áp. Việc trang bị Recloser tự động giúp cô lập nhanh sự cố trong vòng 0,1 giây mà không gây gián đoạn cấp điện cho hơn 3.000 khách hàng trên trục đường dây chính.

Phần mềm ETAP hỗ trợ giải quyết bài toán kỹ thuật nào trong luận văn? ETAP đóng vai trò công cụ tính toán chủ lực, giúp mô phỏng chính xác sơ đồ lưới điện lộ 373 quy mô 1.245 nút cấp điện từ 2 máy biến áp 40 MVA. Phần mềm tính toán trào lưu công suất, dòng ngắn mạch cực đại và cực tiểu, đồng thời vẽ tự động các đường cong bảo vệ TCC, đảm bảo việc chỉnh định rơle đạt độ chọn lọc tuyệt đối.

Làm thế nào để cân đối giữa chi phí đầu tư thiết bị đóng cắt và mục tiêu nâng cao các chỉ số SAIFI, SAIDI? Máy cắt Recloser có giá thành cao gấp khoảng 15 lần dao cách ly truyền thống. Do đó, luận văn đã áp dụng bài toán tối ưu kỹ thuật kinh tế: chỉ thay thế 06 Recloser tại các điểm nút phụ tải xung yếu và kết hợp bổ sung 04 bộ chỉ thị FPI chi phí thấp, giúp giảm chỉ số SAIFI tới 47,7% mà vẫn tiết kiệm tối đa nguồn vốn đầu tư.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và mang lại những đóng góp khoa học công nghệ nổi bật sau:

• Đã khảo sát và phân tích toàn diện hiện trạng vận hành lộ đường dây 373E13.2 dài 539,124 km với 216 trạm biến áp, chỉ ra nguyên nhân của 153 vụ sự cố vĩnh cửu và thoáng qua trong năm 2022.
• Làm rõ cơ chế xung đột bảo vệ gây tác động vượt cấp giữa rơle trạm 110 kV và 15 Recloser trên tuyến khi dòng ngắn mạch vượt ngưỡng 1.300 A.
• Xây dựng thành công mô hình lưới điện lộ 373 trên phần mềm chuyên dụng ETAP với quy mô 1.245 nút, tính toán chính xác dòng phân bố công suất và ngắn mạch.
• Đề xuất phương án cải tạo đồng bộ: thay thế 06 Recloser thông minh, bổ sung 04 bộ FPI và thiết lập bậc trễ thời gian 0,25 giây, giúp kéo giảm chỉ số SAIFI từ 2,20 lần xuống 1,15 lần mất điện mỗi khách hàng mỗi năm.
• Định hình cơ sở khoa học và phương pháp luận vững chắc cho lộ trình hiện đại hóa và tự động hóa lưới điện phân phối tại Công ty Điện lực Lạng Sơn giai đoạn 2023 đến 2025.

Đóng góp chính của công trình là giải pháp kỹ thuật gắn liền với thực tiễn, có khả năng áp dụng ngay vào sản xuất kinh doanh để giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2023-2024 là số hóa toàn bộ dữ liệu cài đặt Recloser lên hệ thống SCADA và đẩy mạnh công nghệ sửa chữa Hotline. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối trên toàn quốc có thể liên hệ và tham khảo chi tiết toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên để ứng dụng cho hệ thống lưới điện địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN VÀ LƯỚI ĐIỆN LỘ ĐƯỜNG DÂY 373E13. Khái quát mô hình chỉ huy điều độ tại Công ty Điện lực Lạng Sơn 1. Mô hình tổ chức công tác chỉ huy điều độ Sơ đồ tổ chức điều độ chung như hình 1.1 A0 A1 ĐIỀU ĐỘ TỈNH TBA 1 TBA … Đường dây, thiết bị …. Sơ đồ tổ chức điều độ HTĐ Mô hình phòng Điều độ hiện tại PCLS như hình 1.2 TRƯỞNG PHÒNG Trực điều độ Phó phòng, bộ phận phương thức Hình 1.

Sơ đồ điều độ tại PCLS Chỉ huy điều độ lưới điện thuộc quyền điều khiển, nhân lực + Trưởng phòng: 01 người; Phó phòng: 01 người. 6 + Kỹ sư phương thức: 01 người (viết phiếu và duyệt PTT, lập phương thức cắt điện, tính toán chỉnh định rơ le bảo vệ lưới điện thuộc quyền điều khiển). + Bộ phận trực điều độ: Đi ca theo chế độ 3 ca - 5 kíp, nhiệm vụ chỉ huy điều độ lưới điện thuộc quyền điều khiển và theo dõi tính toán các chỉ số độ tin cậy lưới điện. Tổng số lao động hiện tại tại phòng Điều độ PCLS: 11 người (01 trưởng phòng, 01 phó phòng, 10 điều độ viên, 01 học kèm cặp điều độ viên).

Công ty Điện lực Lạng Sơn trang bị các thiết bị Recloser với tổng số 98 trạm, trong đó lộ đường dây 373 có 13 trạm với hai loại là Cooper và Nulec. Đại đa số các Recloser đã được kết nối từ xa bằng sóng 3G và đường truyền có dây, kết nối đến Phòng điều độ công ty. Phần mềm theo dõi online đồng thời thể hiện hết trạng thái các máy cắt, muốn khai thác và cài đặt các thông số trên MC các điều độ viên phải thực hiện thao tác vào từng MC mới làm được. Sau các sự cố việc xác định đúng nguyên nhân phân vùng sự cố còn gặp nhiều khó khăn do công tác cài đặt các thông số bảo vệ trên Recloser còn bất cập, các Recloser còn có hiện tượng tác động đồng thời và vượt cấp.

Phân cấp quyền điều khiển, quyền kiểm tra của các cấp điều độ như sau: - Tuân thủ theo quy định tại thông tư 40/TT – BCT do Bộ Công thương ban hành ngày 05/11/2015 và tại công văn 342/EVN-ĐĐQG-KTSX của Tập đoàn Điện lực Việt Nam. - Các thiết bị từ máy cắt tổng trung áp và thiết bị đóng cắt đi kèm đến cấp 110 kV thuộc quyền của A1; thiết bị bù, các thiết bị đóng cắt phía hạ áp của các MBA 110 kV cấp điện cho khu vực địa phương thuộc quyền điều khiển của Điều độ lưới điện phân phối. - Chỉ huy thao tác: + Cấp điều độ có quyền điều khiển (A1, Bx) viết phiếu, duyệt phiếu và chỉ huy thực hiện thao tác khi phải phối hợp thao tác thiết bị tại nhiều trạm điện, nhà máy điện hoặc trong trường hợp thao tác xa từ cấp điều độ có quyền điều khiển. + Đơn vị quản lý vận hành viết phiếu, duyệt phiếu và thực hiện thao tác trong nội bộ phạm vi 01 trạm điện.

Trước khi thực hiện phiếu thao tác phải được cấp điều độ có quyền điều khiển cho phép. + Thực hiện thao tác: Điều độ viên chỉ huy thao tác trên thiết bị thuộc quyền điều khiển tương ứng với trực ca vận hành các đơn vị QLVH. - Giao nhận lưới điện: + Đối với các thao tác do A1 lập, phê duyệt và chỉ huy trực tiếp: Giao/nhận thiết bị qua điều độ Bx, sau đó điều độ Bx giao/nhận với đội đường dây Chi nhánh 7 lưới điện cao thế hoặc trực trạm 110 kV hoặc TVH các Điện lực để bàn giao/tiếp nhận với đơn vị công tác.