Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và nâng cao chất lượng cuộc sống, yêu cầu về độ tin cậy và chất lượng điện năng ngày càng trở nên cấp thiết. Tại thành phố Hồ Chí Minh, trung tâm kinh tế lớn nhất cả nước, việc cung cấp điện ổn định, liên tục đóng vai trò then chốt cho sự phát triển bền vững. Công ty Điện lực Thủ Đức, thành viên của Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, quản lý lưới điện trung áp 22kV trên địa bàn quận Thủ Đức với tổng chiều dài lưới điện trung áp khoảng 374 km, phục vụ hơn 131.000 khách hàng, sản lượng điện tiêu thụ 4 tháng đầu năm 2019 đạt 563,79 triệu kWh, tăng trưởng 8,62% so với cùng kỳ năm trước. Độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện rõ rệt qua các năm, với chỉ số SAIFI giảm từ 5,55 lần/năm năm 2015 xuống còn 1,23 lần/năm năm 2018, và SAIDI giảm từ 751,53 phút/năm xuống còn 149,9 phút/năm trong cùng giai đoạn.

Việc đóng, cắt mạch vòng trên lưới điện trung áp nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian và tần suất mất điện cho khách hàng. Tuy nhiên, quá trình này gây ra các hiện tượng quá độ như dòng điện xung lớn, dao động điện áp, có thể ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ và vận hành an toàn của lưới điện. Nghiên cứu tập trung vào phân tích quá trình quá độ và tính toán chế độ xác lập khi đóng, cắt mạch vòng trên lưới điện trung áp của Công ty Điện lực Thủ Đức trong giai đoạn 2015-2018, sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như PSS/ADEPT và EMTP. Mục tiêu là đánh giá hiện trạng vận hành, xác định các thông số kỹ thuật quan trọng và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành, đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật điện, bao gồm:

  • Mô hình hệ thống điện: Hệ thống điện được mô hình hóa bằng các nút (bus) và nhánh (branch), với các đại lượng điện áp, dòng điện, công suất tác dụng và phản kháng. Phân loại các nút gồm nút tải (PQ bus), nút phát (PV bus) và nút chuẩn (Slack bus).

  • Phân tích chế độ xác lập: Tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện trên lưới điện ở trạng thái ổn định, sử dụng các định luật Ohm, Kirchhoff và các mô hình tương đương của máy phát, đường dây, máy biến áp.

  • Phân tích quá trình quá độ: Mô tả hiện tượng chuyển tiếp giữa hai trạng thái xác lập khi đóng hoặc cắt mạch vòng, bao gồm dòng điện quá độ (surge current) và dao động điện áp. Các mô hình mạch RL, RC được sử dụng để phân tích dòng điện và điện áp quá độ.

  • Điều kiện đóng cắt mạch vòng: Theo quy định pháp lý, việc đóng mạch vòng phải đảm bảo góc lệch pha điện áp giữa hai phía không vượt quá 30 độ và chênh lệch điện áp không quá 10% để tránh gây quá tải và sự cố.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu vận hành lưới điện trung áp 22kV của Công ty Điện lực Thủ Đức, bao gồm thông số kỹ thuật các tuyến dây, máy biến áp, thiết bị đóng cắt, số liệu tải và các sự kiện đóng cắt mạch vòng trong giai đoạn 2015-2018.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các tuyến dây trung áp tiêu biểu như tuyến 475 – Dưỡng Sanh và 477 – Linh Xuân để thực hiện mô phỏng và phân tích chi tiết.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT để tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện ở chế độ xác lập; phần mềm EMTP để mô phỏng quá trình quá độ dòng điện và điện áp khi đóng, cắt mạch vòng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 4/2018 đến tháng 8/2019, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện rõ rệt: Từ năm 2015 đến 2018, chỉ số SAIFI giảm từ 5,55 lần/năm xuống còn 1,23 lần/năm, SAIDI giảm từ 751,53 phút/năm xuống còn 149,9 phút/năm, cho thấy hiệu quả của việc áp dụng đóng cắt mạch vòng trong vận hành lưới điện.

  2. Số lần và số phương án đóng cắt mạch vòng tăng lên: Năm 2018, Công ty Điện lực Thủ Đức thực hiện 103 phương án với 374 lần đóng cắt mạch vòng, tăng so với 62 phương án và 218 lần năm 2015, góp phần giảm tần suất và thời gian mất điện tương ứng.

  3. Dòng điện quá độ khi đóng mạch vòng có biên độ lớn: Mô phỏng trên EMTP cho thấy dòng điện xung có thể vượt quá dòng định mức thiết bị, đặc biệt khi chênh lệch điện áp và góc lệch pha gần giới hạn cho phép, gây nguy cơ tác động sai thiết bị bảo vệ.

  4. Phân bố công suất và điện áp thay đổi đáng kể khi đóng mạch vòng: Mô phỏng PSS/ADEPT cho thấy khi đóng mạch vòng, dòng tải trên một số tuyến dây tăng lên đến 15-20% so với trạng thái mở mạch, đồng thời điện áp tại các nút phân phối có thể dao động trong khoảng ±5%, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy việc đóng, cắt mạch vòng trung áp là giải pháp hiệu quả để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện cho khách hàng. Tuy nhiên, dòng điện quá độ và dao động điện áp phát sinh trong quá trình này có thể gây quá tải tạm thời và ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị bảo vệ, nếu không được kiểm soát tốt sẽ dẫn đến sự cố và mất an toàn vận hành.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiện tượng dòng điện xung khi đóng cắt mạch vòng trên lưới điện phân phối. Việc sử dụng đồng thời phần mềm PSS/ADEPT và EMTP giúp đánh giá toàn diện cả chế độ xác lập và quá độ, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phụ tải điển hình, bảng số liệu độ tin cậy SAIFI, SAIDI qua các năm, biểu đồ dòng điện quá độ và điện áp tại các nút khi đóng cắt mạch vòng, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các thao tác vận hành đến hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình đóng, cắt mạch vòng: Áp dụng các thuật toán tính toán góc lệch pha và chênh lệch điện áp tự động trước khi thực hiện thao tác để đảm bảo điều kiện đóng cắt an toàn, giảm thiểu dòng điện quá độ. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng; Chủ thể: Trung tâm Điều độ và Công ty Điện lực Thủ Đức.

  2. Nâng cấp thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Lắp đặt các thiết bị đóng cắt có khả năng chịu dòng xung cao và hệ thống bảo vệ thông minh có thể nhận diện và xử lý dòng quá độ nhanh chóng, hạn chế tác động sai. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng; Chủ thể: Ban kỹ thuật Công ty Điện lực Thủ Đức.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích quá trình quá độ và vận hành mạch vòng cho cán bộ kỹ thuật và điều độ viên, nâng cao nhận thức và kỹ năng xử lý tình huống. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm; Chủ thể: Công ty Điện lực Thủ Đức phối hợp với Trường Đại học Bách Khoa.

  4. Triển khai hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực: Sử dụng hệ thống SCADA nâng cao để giám sát dòng điện, điện áp và trạng thái thiết bị đóng cắt, hỗ trợ phân tích và dự báo sự cố kịp thời. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Ban công nghệ thông tin và vận hành Công ty Điện lực Thủ Đức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về quá trình đóng cắt mạch vòng, giúp cải thiện quy trình vận hành và xử lý sự cố.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về hiệu quả và rủi ro của việc đóng cắt mạch vòng hỗ trợ xây dựng các chính sách nâng cao độ tin cậy và an toàn lưới điện.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo thực tiễn kết hợp lý thuyết và mô phỏng, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

  4. Các công ty điện lực và nhà thầu thi công lưới điện: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật đề xuất để thiết kế, cải tạo và vận hành lưới điện phân phối hiệu quả hơn, giảm thiểu sự cố và tổn thất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao việc đóng cắt mạch vòng lại gây ra dòng điện quá độ?
    Dòng điện quá độ xuất hiện do sự chênh lệch điện áp và góc lệch pha giữa hai phía mạch vòng khi đóng cắt, tạo ra dòng xung lớn vượt quá dòng định mức, ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ và vận hành an toàn.

  2. Phần mềm PSS/ADEPT và EMTP có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    PSS/ADEPT được sử dụng để tính toán chế độ xác lập như phân bố công suất, điện áp, dòng điện ổn định; EMTP mô phỏng quá trình quá độ dòng điện và điện áp khi đóng cắt, giúp đánh giá tác động tạm thời và nguy cơ sự cố.

  3. Điều kiện pháp lý nào quy định việc đóng cắt mạch vòng?
    Theo Thông tư 44/2014/TT-BCT, việc đóng mạch vòng phải đảm bảo góc lệch pha ≤ 30 độ và chênh lệch điện áp ≤ 10% để đảm bảo an toàn và tránh gây quá tải thiết bị.

  4. Các giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để giảm thiểu rủi ro khi đóng cắt mạch vòng?
    Bao gồm tối ưu hóa quy trình đóng cắt, nâng cấp thiết bị đóng cắt và bảo vệ, đào tạo nhân lực vận hành, và triển khai hệ thống giám sát thời gian thực.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Kết quả và giải pháp có thể áp dụng cho các khu vực có lưới điện phân phối tương tự, giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành lưới điện phân phối trên phạm vi rộng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích chi tiết quá trình quá độ và chế độ xác lập khi đóng, cắt mạch vòng trên lưới điện trung áp của Công ty Điện lực Thủ Đức, sử dụng phần mềm PSS/ADEPT và EMTP.
  • Độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện rõ rệt nhờ áp dụng đóng cắt mạch vòng, tuy nhiên dòng điện quá độ và dao động điện áp cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Các giải pháp kỹ thuật và vận hành được đề xuất nhằm nâng cao an toàn, giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa hiệu quả vận hành lưới điện phân phối.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, vận hành lưới điện phân phối tại các khu vực tương tự trong Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh và các địa phương khác.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm các giải pháp đề xuất, đào tạo nhân lực và phát triển hệ thống giám sát hiện đại để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình đóng cắt mạch vòng, đảm bảo cung cấp điện an toàn, ổn định và tin cậy cho khách hàng.