Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp và đô thị hóa đã thúc đẩy nhu cầu điện năng tại Việt Nam gia tăng nhanh chóng. Theo số liệu từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam, tốc độ tăng trưởng sản lượng điện thương phẩm bình quân giai đoạn 2016-2020 đạt từ 10,34% đến 11,26%. Sản lượng điện thương phẩm đã tăng từ 159,31 tỷ kWh năm 2016 lên mức 192,93 tỷ kWh năm 2018 và đạt 193.202,7 triệu kWh trong 11 tháng đầu năm 2019. Áp lực truyền tải công suất cao khiến lưới điện đối mặt với nhiều nguy cơ sự cố. Thống kê trong 10 tháng đầu năm 2019 ghi nhận toàn hệ thống xảy ra 120 vụ sự cố lưới điện, tăng 39 vụ so với cùng kỳ năm 2018, trong đó có 41 sự cố thoáng qua và 29 sự cố trạm biến áp.

Khi xảy ra sự cố mất nguồn máy phát lớn hoặc biến động phụ tải đột ngột, sự mất cân bằng giữa công suất phát và công suất tiêu thụ sẽ gây suy giảm nghiêm trọng tần số hệ thống, đe dọa trực tiếp đến tính ổn định động và nguy cơ rã lưới trên diện rộng. Các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống dựa trên rơ-le tần số thấp thường cắt giảm công suất theo các mức cố định hoặc ngắt toàn bộ nút tải mà không xem xét cấu trúc kinh tế và vị trí điện học của phụ tải, gây thiệt hại kinh tế lớn. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Phạm Hồng Hậu, dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Quyền Huy Ánh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện vào tháng 3 năm 2021, tập trung giải quyết triệt để bài toán này. Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng giải thuật sa thải phụ tải tối ưu đa mục tiêu trên mô hình chuẩn IEEE 37 nút 9 máy phát, kết hợp hài hòa giữa điều khiển tần số sơ cấp, thứ cấp và huy động dự phòng quay. Kết quả nghiên cứu chứng minh phương pháp mới giúp giảm lượng công suất sa thải thấp hơn 5 lần so với phương pháp truyền thống, đồng thời duy trì độ lệch tần số hệ thống trong giới hạn cho phép 0,3 Hz (tương đương 0,005 pu ở tần số danh định 60 Hz).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp 3 khung lý thuyết chuyên sâu trong kỹ thuật hệ thống điện và toán học tối ưu hóa:

Thứ nhất, lý thuyết động lực học hệ thống điện và điều khiển tần số. Quá trình tự điều chỉnh tần số của hệ thống được mô tả qua phương trình chuyển động rotor và hàm truyền đáp ứng tần số tổng hợp giữa biến thiên công suất tải và độ lệch tần số. Quá trình này bao gồm điều khiển sơ cấp thông qua bộ điều tốc turbine để chặn đà giảm tần số tức thời, và điều khiển thứ cấp thông qua hệ thống điều khiển phát điện tự động nhằm dịch chuyển đặc tính tĩnh và đưa tần số về giá trị ổn định xác lập.

Thứ hai, lý thuyết khoảng cách điện trong mạng điện phức hợp. Khoảng cách pha được xác định dựa trên các phần tử của ma trận nghịch đảo Jacobian J1, phản ánh độ nhạy góc pha trước sự thay đổi công suất tác dụng giữa nút máy phát sự cố và các nút tải. Khoảng cách điện áp được trích xuất từ ma trận suy giảm điện áp thông qua nghịch đảo ma trận Jacobian J4, lượng hóa mức độ suy giảm điện áp cục bộ tại từng nút tải khi xảy ra biến động công suất phản kháng.

Thứ ba, lý thuyết phân tích thứ bậc đa tiêu chí kết hợp ma trận hiệp phương sai. Thuật toán phân tích thứ bậc của Thomas Saaty năm 1980 được ứng dụng để xác định trọng số tổng hợp từ thang đo 1 đến 9, với điều kiện kiểm tra tỷ lệ nhất quán ngẫu nhiên CR nhỏ hơn hoặc bằng 0,10. Để loại bỏ tính chủ quan, ma trận hiệp phương sai được xây dựng từ dữ liệu định lượng về đặc tính phụ tải hỗn hợp gồm phụ tải loại 1 (ưu tiên cao nhất như bệnh viện, cơ quan trọng yếu), phụ tải loại 2 (công nghiệp sản xuất) và phụ tải loại 3 (dân dụng sinh hoạt, cho phép cắt giảm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên hệ thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 37 nút điện trong mạng lưới, trong đó có 9 nút máy phát (nút số 31 SLACK345#1 đóng vai trò là nút cân bằng), 26 nút phụ tải hỗn hợp và 2 nút liên lạc trung gian. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu theo cấu trúc chuẩn điển hình quốc tế, đảm bảo đầy đủ các chế độ quá độ, phi tuyến tính và phản ánh chính xác cấu trúc lưới điện thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích ma trận Jacobian kết hợp thuật toán phân tích thứ bậc và ma trận hiệp phương sai là vì phương pháp này cho phép giải quyết bài toán tối ưu phi tuyến đa mục tiêu trong thời gian thực. Mô hình ma trận giúp tự động lượng hóa chính xác vị trí nhạy cảm điện học của các nút tải đối với điểm xảy ra sự cố, đồng thời loại trừ triệt để yếu tố phán đoán chủ quan của con người khi xếp hạng ưu tiên cung cấp điện.

Quy trình thực nghiệm được triển khai từ năm 2020 đến đầu năm 2021. Toàn bộ kịch bản mô phỏng dòng công suất xác lập và quá độ ổn định động được lập trình và thực thi trên phần mềm chuyên dụng PowerWorld Simulator phiên bản 19 kết hợp phần mềm tính toán ma trận MATLAB.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thực nghiệm trên hệ số mang tải 95% của hệ thống IEEE 37 nút khi xảy ra sự cố mất máy phát PEAR138 tại bus 53 đã mang lại các kết quả đột phá:

Thứ nhất, tối ưu hóa vượt bậc dung lượng công suất sa thải. Phương pháp đề xuất chỉ sa thải đúng lượng công suất tối thiểu cần thiết để phục hồi tần số, giúp giảm tổng công suất sa thải thấp hơn 5 lần (tương đương mức giảm hơn 80% lượng tải bị cắt) so với phương pháp rơ-le sa thải phụ tải dưới tần số truyền thống.

Thứ hai, nâng cao hiệu quả phối hợp điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp. Sau khi sự cố xảy ra làm tần số sụt giảm sâu, hệ thống huy động toàn bộ công suất dự phòng quay của 8 tổ máy phát còn lại thông qua điều khiển sơ cấp và thứ cấp. Lượng công suất sa thải tối thiểu được tính toán chính xác đã đưa tần số hệ thống khôi phục hoàn toàn về phạm vi vận hành an toàn với độ lệch tần số không vượt quá 0,3 Hz (0,005 pu) so với tần số danh định 60 Hz.

Thứ ba, bảo toàn tối đa lợi ích kinh tế nhờ phân loại phụ tải chính xác. Nhờ ứng dụng ma trận hiệp phương sai và trọng số thứ bậc, 100% các thành phần phụ tải loại 1 tại các nút tải trọng yếu được bảo vệ liên tục. Lượng tải sa thải tập trung chủ yếu vào phụ tải loại 3 chiếm tỷ lệ từ 40% đến 60% trong cấu trúc phụ tải phức hợp tại từng nút, giảm thiểu tối đa thiệt hại kinh tế và xáo trộn xã hội.

Thứ tư, xác định chính xác vị trí sa thải tối ưu theo khoảng cách điện. Các nút tải có khoảng cách pha và khoảng cách điện áp ngắn nhất đối với máy phát sự cố bus 53 được ưu tiên phân bổ tỷ lệ sa thải cao hơn, giúp hệ thống ổn định điện áp và phục hồi tần số nhanh hơn 35% so với phương pháp sa thải phân bố đều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính tạo nên sự ưu việt của giải thuật đề xuất là nhờ sự kết hợp đồng thời giữa các yếu tố ràng buộc kỹ thuật và chỉ số kinh tế. Trong các giải pháp trước đây, các phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số thường tác động theo các bậc tần số cố định, dẫn đến tình trạng sa thải quá mức hoặc cắt điện nhầm vào các khu vực công nghiệp quan trọng. Khi so sánh với nghiên cứu năm 2018 của tác giả Nguyễn Trọng Tín vốn chỉ tập trung vào phương trình chuyển động rotor của máy phát, đề tài này đã tiến thêm một bước dài khi tích hợp cả đặc tính suy giảm điện áp từ ma trận Jacobian J4. So với công trình của tác giả Lê Tấn Thông năm 2014 về phân lập Jacobian góc pha, nghiên cứu đã bổ sung tiêu chí phân loại phụ tải hỗn hợp thông qua ma trận hiệp phương sai, giúp bài toán điều độ vừa đáp ứng chuẩn kỹ thuật vừa mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua biểu đồ phản ứng tần số quá độ theo thời gian mô phỏng, thể hiện rõ đường cong phục hồi tần số của phương pháp đề xuất so với phương pháp truyền thống. Bên cạnh đó, các bảng đối chiếu ma trận nghịch đảo Jacobian J1, J4 và bảng phân hạng trọng số thứ tự ưu tiên sa thải cho 26 nút tải đã minh chứng rõ ràng mối tương quan giữa khoảng cách điện học và tỷ lệ công suất sa thải cần phân bổ tại từng nút.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quản lý và vận hành hệ thống điện, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán sa thải phụ tải đa mục tiêu vào hệ thống phần mềm SCADA và EMS tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và các Trung tâm Điều độ miền. Mục tiêu hướng tới là giảm 70% đến 80% lượng công suất cắt điện không cần thiết khi xảy ra sự cố nguồn lớn. Lộ trình triển khai thử nghiệm trong giai đoạn 2022-2024 do Tập đoàn Điện lực Việt Nam chủ trì thực hiện.

Thứ hai, hiện đại hóa hạ tầng đo đếm và phân loại phụ tải chi tiết tại các trạm biến áp phân phối 110kV và 220kV. Cần ứng dụng hệ thống đo đếm thông minh AMI và rơ-le số kỹ thuật số để bóc tách chính xác tỷ lệ phụ tải loại 1, loại 2 và loại 3 theo thời gian thực. Mục tiêu đạt tỷ lệ giám sát 95% nút phụ tải trọng điểm trước năm 2026 do các Tổng công ty Điện lực thành viên thực hiện.

Thứ ba, xây dựng mô-đun tự động tính toán ma trận Jacobian và khoảng cách điện thích nghi trong thời gian thực. Mô-đun này giúp các điều độ viên cập nhật tức thời ma trận độ nhạy khi cấu hình lưới điện thay đổi, rút ngắn thời gian tính toán phân bổ sa thải xuống dưới 100 mili-giây, thực hiện trong vòng 12 tháng tại các phòng kỹ thuật điều độ.

Thứ tư, hoàn thiện khung tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành và thông tư quy định về sa thải phụ tải khẩn cấp. Bộ Công Thương và Cục Điều tiết Điện lực cần cập nhật quy chuẩn sa thải phụ tải có xét đến yếu tố kinh tế và độ liên tục cung cấp điện, thay thế dần các sơ đồ sa thải rơ-le tần số bậc thang tĩnh trong giai đoạn 2023-2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị ứng dụng và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư điều độ và chuyên gia vận hành hệ thống điện tại các Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và Miền. Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận và thuật toán trực tiếp để xây dựng chiến lược sa thải phụ tải khẩn cấp, hỗ trợ ra quyết định chính xác nhằm ngăn chặn sự cố rã lưới khi mất các tổ máy phát điện công suất lớn.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Tổng công ty Điện lực và Công ty Điện lực địa phương. Luận văn cung cấp mô hình phân tích ma trận hiệp phương sai để phân loại và quản lý phụ tải loại 1, loại 2, loại 3, hỗ trợ lập phương án cấp điện ưu tiên và giảm thiểu tối đa tổn thất kinh tế khi phải tiết giảm phụ tải.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống năng lượng. Công trình là tài liệu tham khảo mẫu mực về kỹ thuật mô hình hóa hệ thống điện chuẩn IEEE, phân tích ổn định động quá độ trên PowerWorld Simulator và ứng dụng toán học tối ưu hóa đa mục tiêu trong kỹ thuật điện.

Thứ tư, kỹ sư thiết kế và chuyên gia tích hợp hệ thống bảo vệ rơ-le tự động hóa tại các công ty tư vấn điện lực. Nhóm đối tượng này có thể khai thác các công thức tính toán khoảng cách pha, khoảng cách điện áp và ma trận Jacobian để cấu hình các hệ thống sa thải phụ tải tập trung thông minh thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp sa thải phụ tải đề xuất khác biệt gì so với rơ-le tần số truyền thống F81? Phương pháp truyền thống sử dụng ngưỡng tần số cố định để cắt các tuyến dây chỉ định sẵn, dẫn đến tình trạng sa thải thừa công suất và cắt nhầm phụ tải quan trọng. Phương pháp đề xuất kết hợp điều khiển sơ cấp, thứ cấp với thuật toán đa mục tiêu, giúp giảm công suất sa thải thấp hơn 5 lần và giữ tần số trong mức lệch 0,3 Hz.

  2. Vai trò của ma trận hiệp phương sai trong việc xác định mức độ ưu tiên phụ tải là gì? Ma trận hiệp phương sai lượng hóa mức độ biến thiên cùng chiều giữa các thành phần phụ tải loại 1, loại 2 và loại 3 tại từng nút. Phương pháp này chuyển đổi dữ liệu định lượng thành ma trận so sánh khách quan, loại bỏ định kiến chủ quan của chuyên gia và đảm bảo giữ điện tuyệt đối cho các phụ tải đặc biệt quan trọng.

  3. Khoảng cách pha và khoảng cách điện áp được tính toán từ đâu trong hệ thống điện? Khoảng cách pha được xác định thông qua nghịch đảo ma trận Jacobian J1, phản ánh độ nhạy góc pha theo công suất tác dụng. Khoảng cách điện áp được trích xuất từ nghịch đảo ma trận Jacobian J4, thể hiện độ suy giảm điện áp theo công suất phản kháng. Nút tải có khoảng cách điện càng gần máy phát sự cố sẽ được ưu tiên sa thải.

  4. Luận văn đã thực nghiệm thuật toán trên kịch bản sự cố cụ thể nào? Thuật toán được kiểm chứng trên lưới chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát ở mức tải 95% công suất định mức bằng phần mềm PowerWorld Simulator 19. Kịch bản mô phỏng giả lập sự cố ngắt hoàn toàn máy phát PEAR138 tại bus 53, gây sụt giảm tần số nghiêm trọng, sau đó hệ thống tự động kích hoạt thuật toán sa thải tối ưu.

  5. Giải thuật này có khả năng triển khai thực tế trên lưới điện Việt Nam không? Giải thuật hoàn toàn khả thi khi tích hợp vào hệ thống SCADA và EMS hiện đại của EVN. Nhờ khả năng trao đổi dữ liệu đo đếm diện rộng PMU và hệ thống công tơ điện tử thông minh, việc xác định ma trận độ nhạy Jacobian và bóc tách thành phần phụ tải có thể thực hiện tự động trong thời gian thực.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công phương pháp sa thải phụ tải đa mục tiêu tối ưu, giải quyết triệt để bài toán cân bằng công suất và ổn định tần số khi xảy ra sự cố mất nguồn máy phát lớn.
  • Kết quả thực nghiệm trên hệ thống IEEE 37 nút 9 máy phát chứng minh lượng công suất sa thải giảm thấp hơn 5 lần so với phương pháp truyền thống, đảm bảo độ lệch tần số vận hành an toàn trong ngưỡng 0,3 Hz.
  • Đề tài có đóng góp khoa học nổi bật khi ứng dụng sáng tạo ma trận hiệp phương sai kết hợp giải thuật phân tích thứ bậc AHP để bảo vệ 100% phụ tải loại 1 và giảm thiểu tối đa thiệt hại kinh tế.
  • Lộ trình phát triển tiếp theo cần tập trung tích hợp thuật toán vào hệ thống SCADA thời gian thực và mở rộng thử nghiệm trên lưới điện thực tế có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao trong giai đoạn 2022-2025.
  • Đây là tài liệu khoa học và thực tiễn giá trị cao dành cho các điều độ viên, kỹ sư điện lực và nhà nghiên cứu quan tâm đến bài toán ổn định và an ninh năng lượng quốc gia.