Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Bùi Nguyễn Xuân Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả trong hệ thống điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Phạm vị nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của đề tài
• 1.6. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Ổn định hệ thống điện
• 2.2. Các chế độ làm việc hệ thống điện
• 2.3. Phân loại ổn định hệ thống
• 2.4. Cân bằng công suất
• 2.5. Ổn định tĩnh
• 2.6. Ổn định động
• 2.7. Mô hình toán học hệ thống điện nhiều máy phát
• 2.7.1. Mô hình máy phát
• 2.7.2. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động hệ thống điện
• 2.7.2.1. Phương pháp tích phân số
• 2.7.2.2. Phương pháp diện tích
• 2.7.2.3. Phương pháp trực tiếp
• 2.7.2.4. Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian
• 2.8. Sa thải phụ tải truyền thống
• 2.8.1. Sơ đồ liên động máy cắt
• 2.8.2. Rơle dưới tần số truyền thống (ANSI 81)
• 2.8.3. Rơle dưới tần số sử dụng tốc độ thay đổi tần số (df/dt)
• 2.8.4. Đáp ứng tần số
• 2.8.5. UFLS sử dụng df/dt
• 2.9. Sa thải phụ tải thông minh (ILS - Intelligent Load Shedding)
• 2.9.1. Sự cần thiết của ILS
• 2.9.2. Các yêu cầu bổ sung cho hệ thống ILS
• 2.9.3. Sơ đồ khối chức năng của ILS
• 2.10. Lý thuyết mạng neural
• 2.10.1. Mạng neural sinh học
• 2.10.2. Neural nhân tạo
• 2.10.2.1. Mô hình cấu trúc một neural với đại lượng vô hướng
• 2.10.2.2. Cấu trúc một neural với vectơ nhập
• 2.10.2.3. Mạng có nhiều lớp neural
• 2.10.3. Các dạng mạng neural của một ANN
• 2.10.4. Hàm chuyển đổi của mạng neural
• 2.10.5. Các qui tắc học trong ANN
• 2.10.5.1. Học không giám sát
• 2.10.5.2. Học tăng cường
• 2.10.6. Mạng hàm truyền xuyên tâm
• 2.10.7. Mạng neural xác suất
• 2.11. Cơ sở lý thuyết về khoảng cách pha
• 2.11.1. Diễn giải vật lý
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SA THẢI ĐỀ XUẤT
• 3.1. Xây dựng chương trình sa thải
• 3.2. Dùng phương pháp ANN nhận dạng sự cố
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN CHUẨN
• 4.1. Tính toán khoảng cách pha
• 4.2. Thử nghiệm sa thải tải trên sơ đồ chuẩn bằng Powerwold
• 4.3. Huấn luyện mạng neural nhân tạo bằng matlab
• 4.4. Tạo giao diện trên guide Matlab
• 4.5. So sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp đã có
• 4.5.1. Giới thiệu thuật toán AHP và chiến lược sa thải đề xuất từ thuật toán
• 4.5.2. Giới thiệu hệ thống sa thải phụ tải theo tần số thấp
• 4.5.3. Mô phỏng và so sánh các trường hợp với nhau
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng nghiên cứu phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Chương trình tạo giao diện guide matlab
• PHỤ LỤC 2: Chương trình tìm hằng số spread

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả

Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả trong hệ thống điện là một chủ đề quan trọng trong bối cảnh hiện nay. Với sự gia tăng nhu cầu năng lượng, việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Phương pháp sa thải phụ tải không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất điện năng mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc áp dụng các công nghệ hiện đại như mạng neural và lý thuyết khoảng cách điện để tối ưu hóa quy trình sa thải phụ tải.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu sa thải phụ tải

Sự cần thiết của việc nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải xuất phát từ những sự cố mất điện lớn đã xảy ra trên thế giới. Những sự cố này không chỉ gây thiệt hại kinh tế mà còn ảnh hưởng đến đời sống của hàng triệu người. Việc áp dụng các phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

1.2. Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện chuẩn IEEE 39 bus với 10 máy phát. Mục tiêu là phát triển một phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống điện khi có sự cố xảy ra. Nghiên cứu sẽ sử dụng các công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa quy trình này.

II. Vấn đề và thách thức trong sa thải phụ tải điện

Sa thải phụ tải là một giải pháp cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống điện. Tuy nhiên, việc thực hiện sa thải phụ tải cũng gặp phải nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống thường không đủ chính xác và có thể dẫn đến việc sa thải quá mức cần thiết, gây tổn thất điện năng.

2.1. Các phương pháp sa thải truyền thống và hạn chế

Các phương pháp sa thải truyền thống thường dựa vào sự suy giảm tần số và điện áp. Tuy nhiên, những phương pháp này có thể không đủ linh hoạt và chính xác trong việc xác định phụ tải cần sa thải, dẫn đến tình trạng mất ổn định hệ thống.

2.2. Tác động của sự cố đến hệ thống điện

Khi có sự cố xảy ra, như mất một máy phát điện, khả năng phát điện giảm trong khi nhu cầu phụ tải không đổi hoặc gia tăng. Điều này dẫn đến tần số hệ thống giảm, yêu cầu phải có một chương trình sa thải tải hiệu quả để phục hồi tần số trong giới hạn định mức.

III. Phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả trong hệ thống điện

Nghiên cứu đề xuất một phương pháp sa thải phụ tải dựa trên sự kết hợp giữa mạng neural hồi quy và lý thuyết khoảng cách điện. Phương pháp này không chỉ giúp xác định phụ tải cần sa thải mà còn tối ưu hóa quy trình sa thải để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện.

3.1. Ứng dụng mạng neural trong sa thải phụ tải

Mạng neural hồi quy được sử dụng để phân tích và dự đoán các tình huống sa thải phụ tải. Với độ chính xác huấn luyện lên đến 99,9%, phương pháp này cho phép xác định nhanh chóng phụ tải cần sa thải khi có sự cố xảy ra.

3.2. Lý thuyết khoảng cách điện và ứng dụng

Lý thuyết khoảng cách điện giúp xác định khoảng cách giữa máy phát bị sự cố và các tải. Từ đó, tải gần máy phát sự cố nhất sẽ được ưu tiên sa thải trước, đảm bảo hệ thống điện trở lại ổn định nhanh chóng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp sa thải phụ tải đề xuất có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống như AHP và UFLS. Thời gian phục hồi tần số nhanh hơn 18% so với AHP và 55% so với UFLS, đồng thời lượng công suất sa thải cũng thấp hơn đáng kể.

4.1. So sánh hiệu quả giữa các phương pháp

Kết quả so sánh cho thấy phương pháp sa thải phụ tải đề xuất không chỉ giúp phục hồi tần số nhanh hơn mà còn giảm thiểu lượng công suất sa thải, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong hệ thống điện.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp

Phương pháp sa thải phụ tải đề xuất có thể được áp dụng trong các hệ thống điện hiện đại, giúp các điều độ viên nhanh chóng xác định các phụ tải cần sa thải khi có sự cố xảy ra, từ đó nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải hiệu quả trong hệ thống điện đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại như mạng neural và lý thuyết khoảng cách điện có thể nâng cao hiệu quả sa thải phụ tải. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến các thuật toán và mở rộng ứng dụng của phương pháp này.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp sa thải phụ tải đề xuất, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn và tích hợp thêm các yếu tố khác như năng lượng tái tạo vào quy trình sa thải phụ tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu. Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất lớn, trong đó năng điện là một trong những ngành năng lượng quan trọng nhất. Vì thế, giữ cho hệ thống điện được ổn định là mục tiêu hàng đầu của công tác nâng cao chất lượng điện năng.

Bên cạnh đó, ngành điện cũng phải dự trữ một nguồn đủ lớn để đáp ứng nhu cầu khi có sự thay đổi về tải, nhưng yêu cầu đó hiện nay vẫn chưa đảm bảo được do hệ thống điện vẫn còn có nhiều nhiễu loạn và gây nên tình trạng mất điện. Sa thải phụ tải là một phương pháp hiệu quả để phục hồi hệ thống bởi việc giảm bớt tải cho phù hợp với nguồn cung cấp. Đa số các nghiên cứu liên quan đến sa thải phụ tải đều dựa trên sự suy giảm tần số và điện áp của hệ thống. Các phương pháp sa thải truyền thống thường thiếu chính xác hay sa thải quá mức cần thiết làm cho hệ thống mất ổn định gây ra tổn thất điện năng dẫn đến chất lượng điện năng không đảm bảo.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài dựa trên hệ thống IEEE 39 nút - 10 máy phát, liên quan đến các thông số về góc δ, các giá trị về tần số f, điện áp V, công suất P để đề ra chiến lược sa thải phụ tải tối ưu, nhằm ổn định hệ thống. Liên quan đến đề tài nghiên cứu, cũng có nhiều các công trình nghiên cứu như: Trong nước: Nguyễn Đức Thiện, 2015 [5], Luận văn thạc sĩ: "Xây dựng chương trình sa thải phụ tải dựa trên thuật toán FUZZY - AHP", Luận văn đã đề xuất phương pháp sa thải phụ tải dựa trên thuật toán Fuzzy-AHP. Với kết quả tổng lượng sa thải phụ tải giảm nhưng làm tăng thời gian phục hồi tần số. Lê Kim Hùng (Đại học Đà Nẵng), Vũ Phan Huấn (Công ty thí nghiệm điện Miền Trung), 2010 [9], Rơle sa thải phụ tải theo tần số có khả năng tích hợp các chức năng bảo vệ tần số và điện áp nhằm đảm bảo độ ổn định trong hệ thống điện bằng cách sa thải phụ tải hoặc cô lập lưới điện cục bộ trong điều kiện kém tần và HVTH: Bùi Nguyễn Xuân Vũ 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.

QUYỀN HUY ÁNH quá áp. Hiện nay, rơle tần số được lắp đặt tại các trạm biến áp và sa thải tải theo từng lượng công suất nhỏ, giúp cho tần số và điện áp lưới điện khôi phục lại trạng thái làm việc bình thường. Bài báo tập trung vào trình bày sơ đồ ứng dụng chức năng sa thải phụ tải mới dựa trên nguyên lý truyền thống sa thải tải, cho phép cắt các ngăn lộ theo từng cấp tần số, bắt đầu từ việc kiểm tra đấu nối nhị thứ, đến cài đặt thông số chỉnh định và cấu hình rơle trên phần mềm chuyên dụng giao tiếp rơle Micom Studio. Cuối cùng là ứng dụng sơ đồ sa thải phụ tải bằng rơle Areva P142 tại Trạm biến áp 110kV ĐăkMil.

Mai Ngọc Nhẫn, 2017 [8], Luận văn thạc sĩ: "Nghiên cứu sa thải phụ tải áp dụng mạng neural và thuật toán AHP", Luận văn này nghiên cứu và đề xuất mô hình: “Nghiên cứu sa thải phụ tải áp dụng mạng neural 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. Đây là mô hình sa thải phụ tải cho phép giảm thời gian ra quyết định, giảm thời gian phục hồi tần số và nâng cao độ ổn định tần số so với các phương pháp truyền thống. Đỗ Hữu Kiệt, 2016 [10], Luận văn thạc sĩ: "Nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải", Luận văn này nghiên cứu phương pháp sử dụng cho 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 buộc dựa trên thuật toán phân tích hệ thống phân cấp AHP và Fuzzy Logic để xử. Thuật toán Fuzzy Logic và AHP trợ giúp việc ra các quyết định duy trì hay sa thải phụ tải và tính toán các hệ số quan trọng của mỗi phụ tải, có thể đại diện cho tầm quan trọng của các loại phụ tải khác nhau.

Bevrani và các cộng sự, 2009 [11], đã nghiên cứu sử dụng tốc độ thay đổi tần số df/dt trong các sơ đồ điều khiển khẩn cấp hệ thống điện. Thảo luận vài trò của df/dt trong hiệu quả thiết kế sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS). Phân tích tác động của các nguồn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) lên độ dốc tần số hệ thống và sự cần thiết của việc xem xét sửa đổi tiêu chuẩn hiệu suất tần số. Điều chỉnh lại rơle tự động UFLS, nhấn mạnh việc sử dụng ∆f/∆t là tốt hơn df/dt.

HVTH: Bùi Nguyễn Xuân Vũ 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH Urban Rudez và các cộng sự, 2011 [12], nghiên cứu một phương pháp mới về sa thải phụ tải dưới tần số, sử dụng đạo hàm bậc hai tần số làm nguồn thông tin cho dự báo quỹ đạo tần số. Phương pháp xấp xỉ Newton và nội suy của đạo hàm bậc hai tần số được liên tục tính toán để dự báo giá trị tần số nhỏ nhất sử dụng tích phân số. Shokooh và các cộng sự, 2011 [13], nghiên cứu về sa thải phụ tải thông minh ứng dụng trong các ngành công nghiệp lớn.

Các tác giả trên cũng đã đưa ra được nhiều nghiên cứu liên quan đến vấn đề của đề tài này, nhưng chưa nói đến vấn đề sa thải phụ tải ứng dụng kết hợp lý thuyết khoảng cách pha và mạng neural nhân tạo mà nghiên cứu này sẽ đề cập đến. Tính cấp thiết của đề tài. Vấn đề ổn định hệ thống điện là một yêu cầu rất cần thiết đối với bất kỳ một lưới điện nào trong một hệ thống điện liên kết. Trong vận hành hệ thống điện, luôn đòi hỏi phải có sự cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ.

Một khi sự cân bằng này bị phá vỡ, nếu không khắc phục kịp thời sẽ gây hậu quả nghiêm trọng cho tính ổn định của hệ thống. Ví dụ: - Sự cố mất điện tại miền Bắc Ấn Độ [38], xảy ra vào ngày 30 tháng 7 năm 2012 ảnh hưởng 14 bang. Sự cố này kéo dài trong hai ngày, ngày thứ hai khiến 20 trong tổng số 28 bang trong đó có cả thủ đô New Delhi khoảng hơn 600 triệu dân chịu ảnh hưởng. Ít nhất 300 chuyến tàu hỏa đã bị hoãn.

Hệ thống đèn điều khiển giao thông không hoạt động khiến tình trạng ùn tắc xảy ra vào giờ cao điểm. Và nhiều hệ lụy xảy ra liên quan đến sự cố này. Các công ty điện lực Ấn Độ thông báo trên trang mạng của họ rằng hệ thống điện lưới bị quá tải. - Đợt mất điện lớn nhất trong lịch sử nước Mỹ [39], ngày 14 tháng 8 năm 2003 đã gây thiệt hại ước tính khoảng 6 tỷ USD, số người bị ảnh hưởng lên tới 50 triệu người ở New York, Michigan, Ohio của Mỹ và Toronto, Ottawa của Canada.

Đáng chú ý, sự cố này bắt nguồn khi một đường điện cao thế tại Northern Ohio chạm phải những cây mọc quá cao. HVTH: Bùi Nguyễn Xuân Vũ 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH - Sự cố mất điện miền nam Việt Nam [40] diễn ra từ lúc 14 giờ ngày 22 tháng 5 năm 2013, làm các tỉnh thành miền Nam Việt Nam bị mất điện trong nhiều giờ. Sự cố này cũng gây mất điện một số khu vực tại quốc gia láng giềng Campuchia.

Đây là sự cố điện xảy ra gây ảnh hưởng với quy mô lớn trên diện rộng chưa từng có trong vòng 100 năm tại Việt Nam. Thiệt hại chỉ đối với ngành điện ước tính ban đầu là 14 tỉ đồng. Tính đến ngày 25 tháng 5, có tổng cộng 8 triệu khách hàng bị ảnh hưởng bởi sự cố, trong đó tại thành phố Hồ Chí Minh có 1,8 triệu hộ dân và khách hàng điện. Các nhiễu loạn của các hệ thống điện, thường là các sự cố 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. 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. Hai thông số quan trọng nhất để theo dõi là điện áp và tần số hệ thống.

Điện áp và tần số tại tất cả các thanh góp, cả hai đều phải được duy trì trong giới hạn quy định được thiết lập. Tần số chủ yếu bị ảnh hưởng bởi công suất tác dụng, trong khi điện áp chủ yếu bị ảnh hưởng bởi công suất phản kháng [1] Cụ thể, tần số bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch giữa công suất phát và nhu cầu phụ tải. Sự chênh lệch này được gây ra do nhiễu loạn, nó làm giảm khả năng phát điện của hệ thống. Ví dụ, do sự cố mất một máy phát điện, khả năng phát điện giảm trong khi nhu cầu phụ tải còn lại không đổi hoặc gia tăng.

Nếu có máy phát điện khác trong hệ thống không thể cung cấp đủ công suất cần thiết, thì tần số hệ thống bắt đầu giảm. Để phục hồi lại tần số trong giới hạn định mức, một chương trình sa thải tải cần được áp dụng cho hệ thống. Ngoài ra nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải ảnh hưởng đến biên độ điện áp tại thanh góp. Khi hệ thống điện không thể đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng của các phụ tải, điện áp trở nên mất ổn định.

Trong tình huống như vậy, các bộ tụ bù được đóng vào các lưới nhằm cung cấp công suất phản kháng cho các phụ HVTH: Bùi Nguyễn Xuân Vũ 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. QUYỀN HUY ÁNH tải. Tuy nhiên, khi các bộ tụ bù này không thể khôi phục lại các cấp điện áp trong giới hạn của nó, hệ thống phải sa thải tải. Sau sự cố, hệ thống phải trở về trạng thái ban đầu của nó, có nghĩa phụ tải đã bị sa thải được phục hồi một cách có hệ thống mà không gây ra sự sụp đổ hệ thống.

Trong trường hợp sự cố lâu dài, hệ thống điện không thể đáp ứng nhu cầu công suất trong thời gian dài, việc sa thải phụ tải tối ưu cần xem xét đến các chỉ tiêu kinh tế và tầm quan trọng của phụ tải.