Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò huyết mạch trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho các hoạt động kinh tế và xã hội. Tại tỉnh Tây Ninh, Công ty Điện lực Tây Ninh quản lý hệ thống phân phối gồm 314,2 km đường dây 110kV cùng 12 trạm biến áp 110kV và hơn 2.944,37 km đường dây trung áp 22kV. Nhằm đáp ứng tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng của vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là nhiệm vụ sống còn. Trong giai đoạn 2016 - 2019, chỉ số tần suất mất điện bình quân hệ thống (SAIFI) của đơn vị đã giảm mạnh từ 42,1 lần/năm xuống còn 19,4 lần/năm, đồng thời số lần thực hiện đóng kết mạch vòng tăng từ 89 lần trong năm 2017 lên 306 lần vào năm 2019, giúp giảm thời gian mất điện (SAIDI) hàng trăm phút mỗi năm.

Tuy nhiên, thao tác đóng cắt mạch vòng để chuyển nguồn điện không gây gián đoạn cấp điện thường làm phát sinh các hiện tượng quá độ điện từ phức tạp. Sự chênh lệch điện áp và góc pha giữa hai nguồn cung cấp có thể tạo ra dòng điện xung đột biến (surge current), gây dao động điện áp và kích hoạt sai các thiết bị bảo vệ rơle, điển hình như sự cố tác động nhầm của Recloser Cẩm Giang trụ 316 tuyến 474TĐ. Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình quá độ và tính toán chế độ xác lập trên 04 kịch bản mạch vòng tiêu biểu tại 05 xuất tuyến trung áp (471TN, 481TN, 472TN, 472SD, 474TĐ). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng vững chắc giúp tối ưu hóa phương thức vận hành an toàn cho mạng lưới điện trung áp 22kV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạch điện phi tuyến và quá độ điện từ trong hệ thống điện xoay chiều ba pha tần số 50Hz. Hai định luật cơ bản của Kirchhoff (KCL và KVL) cùng định luật Ohm phức được vận dụng xuyên suốt để thiết lập phương trình cân bằng dòng điện và điện áp trên các nhánh và nút mạng. Mô hình toán học của mạng điện kín có hai nguồn cung cấp được giải quyết bằng nguyên lý xếp chồng, tách biệt dòng công suất phụ tải và dòng điện cân bằng sinh ra từ độ chênh áp giữa hai thanh cái nguồn.

Các khái niệm then chốt bao gồm: góc lệch pha điện áp giữa hai đầu điểm khép vòng (giới hạn theo quy chuẩn không vượt quá 30 độ), độ sụt giảm và chênh lệch điện áp (yêu cầu nhỏ hơn hoặc bằng 10% điện áp định mức 22kV theo Thông tư 44/2014/TT-BCT), dòng điện xung quá độ, và hằng số thời gian suy giảm trong mạch R-L. Đối với đường dây trung áp có chiều dài dưới 80 km, mô hình tham số hằng (Constant Parameter - CP) với thông số tập trung được áp dụng để mô tả chính xác điện trở, điện kháng và cảm kháng trên từng cung đoạn dây dẫn ACSR và cáp ngầm XLPE.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ hệ thống SCADA và trung tâm điều khiển của Công ty Điện lực Tây Ninh trong giai đoạn 2017 - 2019. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 04 kịch bản mạch vòng tiêu biểu đại diện cho cấu trúc khép vòng cùng trạm 110kV và khác trạm 110kV, trải rộng trên 05 xuất tuyến trọng điểm: 471TN, 481TN, 472TN, 472SD và 474TĐ. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được lựa chọn vì 04 kịch bản này mang tính đại diện cao nhất cho các dạng kết lưới phức tạp, có mật độ phụ tải biến động lớn và thường xuyên phải thao tác chuyển tải trên địa bàn.

Phương pháp phân tích dựa trên sự kết hợp giữa mô phỏng số trên phần mềm EMTP (Electromagnetic Transients Program) và chương trình PSS/ADEPT. Phần mềm EMTP được lựa chọn do khả năng giải tích chính xác các phương trình vi tích phân quá độ điện từ theo thuật toán tích phân hình thang với bước thời gian siêu nhỏ (nhỏ hơn 1/10 chu kỳ sóng cơ bản). PSS/ADEPT được sử dụng để giải bài toán trào lưu công suất xác lập trước và sau khi thao tác chuyển đổi phương thức vận hành. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ từ khâu thu thập thông số lưới, xây dựng mô hình mô phỏng đến đối soát thực nghiệm tại hiện trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng trên phần mềm EMTP và PSS/ADEPT đối với 04 cấu hình mạch vòng đã chỉ ra các đặc tính vận hành quan trọng:

  • Đối với mạch vòng cùng trạm 110kV (MV1 giữa tuyến 471TN và 481TN tại RMU 27 Mít Một; MV2 giữa tuyến 481TN và 472TN tại LBS trụ 80/46), độ chênh lệch điện áp tại điểm khép vòng duy trì ở mức rất thấp, chỉ từ 1,2% đến 3,8%. Dòng điện xung quá độ có biên độ cực đại không vượt quá 1,8 lần dòng định mức và dập tắt hoàn toàn trong khoảng thời gian từ 10ms đến 15ms.
  • Đối với mạch vòng liên kết giữa hai trạm 110kV khác nhau (MV3 giữa 471TN trạm Tây Ninh và 472SD trạm Suối Dộp; MV4 giữa 471TN trạm Tây Ninh và 474TĐ trạm Thạnh Đức), dòng trào lưu truyền tải qua lại giữa hai thanh cái 22kV xuất hiện rõ rệt, làm gia tăng dòng tải trên tuyến dây thêm khoảng 15% đến 25% so với chế độ vận hành hình tia độc lập ban đầu.
  • Tại kịch bản MV4, góc lệch pha đo được là 8,7 độ (thỏa mãn tiêu chuẩn dưới 30 độ), nhưng dòng điện quá độ không đối xứng xuất hiện thành phần thứ tự không làm dòng điện tức thời qua Recloser Cẩm Giang trụ 182 vượt ngưỡng chỉnh định bảo vệ quá dòng chạm đất 51N, giải thích nguyên nhân gây nhảy máy cắt trong thực tế vận hành.
  • Độ sụt áp cực đại trên toàn bộ các nút tải sau khi khép vòng và chuyển nguồn ổn định luôn được khống chế ở mức dưới 4,5%, cải thiện chất lượng điện năng cho các khách hàng công nghiệp cuối tuyến.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng tăng dòng tải đột biến khi khép mạch vòng giữa hai trạm 110kV khác nhau bắt nguồn từ sự phân bố lại trào lưu công suất theo tổng trở vòng liên kết. Dòng cân bằng tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai thanh cái và nghịch đảo với tổng trở tương đương của mạng mạch vòng. Khi thời điểm đóng cắt chuyển đổi tiếp điểm diễn ra tại các góc pha $t = 0\text{ms}, 5\text{ms}, 10\text{ms}, 15\text{ms}$, giá trị tức thời của dòng điện xung thay đổi đáng kể, tạo ra sóng hài bậc cao và xung dòng chạm đất thoáng qua.

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ khảo sát tĩnh trào lưu công suất mà bỏ qua hiện tượng quá độ, công trình này đã định lượng chính xác quá trình biến thiên sóng điện từ. Các dữ liệu về điện áp nút, trào lưu công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và dòng điện xung quá độ có thể được trực quan hóa thông qua các biểu đồ dạng sóng dao động thời gian thực trên EMTP và bảng so sánh sai số giữa giá trị tính toán lý thuyết với số liệu đo đạc thực tế từ SCADA. Sự trùng khớp với độ sai lệch dưới 3% đã khẳng định tính chính xác của mô hình tính toán.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ mô hình mô phỏng và thực tiễn lưới điện, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cần được triển khai:

  • Tái chỉnh định thông số rơle bảo vệ: Tiến hành tính toán và cài đặt lại ngưỡng tác động cho các thiết bị Recloser phân đoạn (như Recloser trụ 182, Recloser Bông Trang trụ 48), trong đó bổ sung thời gian trễ từ 50ms đến 100ms cho chức năng bảo vệ quá dòng chạm đất 51N nhằm tránh hiện tượng nhảy sai do xung dòng quá độ gây ra trong quá trình đóng cắt mạch vòng.
  • Hiện đại hóa hệ thống SCADA và truyền thông: Nâng cấp đường truyền dữ liệu không dây và cáp quang kết nối từ các thiết bị phân đoạn ngoại vi về Trung tâm điều khiển xa của Công ty Điện lực Tây Ninh, đặt mục tiêu duy trì tỷ lệ sẵn sàng kết nối và điều khiển từ xa đạt trên 99,5% trong giai đoạn 2020 - 2025.
  • Tự động hóa kết lưới bằng tủ RMU: Lắp đặt bổ sung các tủ đóng cắt trung thế RMU tích hợp chức năng kiểm tra hòa đồng bộ tự động tại các điểm nút giao lưới trọng yếu (như RMU 27 Mít Một và khu vực LBS Thanh Điền), giúp hệ thống tự động kiểm tra góc lệch pha và độ lệch áp trước khi cho phép đóng kín mạch.
  • Chuẩn hóa quy trình thao tác điều độ: Ban hành quy chuẩn thao tác đóng cắt mạch vòng trung áp 22kV thống nhất giữa Điều độ viên Trung tâm điều khiển xa và Trực ban vận hành tại 08 Điện lực trực thuộc, bắt buộc kiểm tra tính toán trào lưu bằng phần mềm trước khi thực hiện chuyển tải trên thực địa, hướng tới giảm thiểu tỷ lệ sự cố thao tác chủ quan về 0%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện: Nắm vững các giới hạn quá độ xung dòng và trào lưu công suất khi lập phương thức chuyển đổi nguồn điện tại các Trung tâm điều khiển SCADA thuộc Tổng công ty Điện lực Miền Nam và các đơn vị điện lực cấp tỉnh.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch lưới điện: Sử dụng phương pháp luận mô hình hóa trên EMTP để tính toán khả năng liên kết mạch vòng, lựa chọn dung lượng máy biến áp 110/22kV và tiết diện dây dẫn ACSR 240mm2 hoặc cáp ngầm 3M240-XLPE tối ưu.
  • Giảng viên và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về ứng dụng phần mềm mô phỏng quá độ điện từ trong phân tích chế độ vận hành thực tế của lưới phân phối trung áp.
  • Ban quản lý vận hành năng lượng khu công nghiệp: Vận dụng các giải pháp kiểm soát xung dòng và ổn định điện áp để bảo vệ thiết bị điện tử công suất nhạy cảm trong các khu chế xuất lớn như KCN Trảng Bàng hay KCN Phước Đông.

Câu hỏi thường gặp

  • Mục đích chính của việc thao tác đóng cắt mạch vòng trên lưới điện trung áp là gì?
    Thao tác này nhằm chuyển đổi linh hoạt phương thức cấp điện giữa các tuyến dây hoặc trạm biến áp trung gian 110kV để phục vụ công tác bảo trì, sửa chữa hoặc cô lập sự cố mà không làm gián đoạn nguồn cấp điện, giúp giảm hàng nghìn phút mất điện cho khách hàng mỗi năm.

  • Điều kiện kỹ thuật bắt buộc trước khi tiến hành khép mạch vòng 22kV là gì?
    Theo quy định tại Điều 31 Thông tư 44/2014/TT-BCT, thao tác khép vòng bắt buộc phải đảm bảo đồng vị pha, độ lệch góc pha giữa hai phía điểm khép không vượt quá 30 độ và độ chênh lệch điện áp phải nhỏ hơn hoặc bằng 10%.

  • Tại sao khép mạch vòng giữa hai trạm 110kV khác nhau lại làm tăng dòng tải trên tuyến dây?
    Khi nối hai thanh cái từ hai trạm nguồn khác nhau, sự chênh lệch biên độ và góc pha điện áp sẽ sinh ra dòng điện cân bằng chạy qua mạch liên kết. Dòng điện này cộng dồn với dòng phụ tải hiện hữu làm dòng tải tổng tăng thêm từ 15% đến 25%.

  • Phần mềm EMTP có ưu điểm gì vượt trội so với các phần mềm tính toán trào lưu thông thường?
    EMTP chuyên biệt trong việc mô phỏng các quá trình quá độ điện từ với bước thời gian siêu nhỏ ở thang micro-giây, cho phép khảo sát chính xác đỉnh xung dòng điện, dao động quá điện áp và đáp ứng quá độ của rơle bảo vệ mà các công cụ trào lưu tĩnh không thể thực hiện được.

  • Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể áp dụng cho các đơn vị điện lực khác không?
    Hoàn toàn có thể áp dụng cho tất cả các công ty điện lực trực thuộc Tổng công ty Điện lực Miền Nam và các hệ thống phân phối có kết cấu lưới trung áp 22kV ba pha bốn dây tương đồng về quy mô và phương thức vận hành.

Kết luận

  • Đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán quá độ và chế độ xác lập trên phần mềm EMTP và PSS/ADEPT cho hệ thống điện trung áp 22kV Công ty Điện lực Tây Ninh.
  • Định lượng chi tiết đặc tính dòng xung quá độ và trào lưu công suất trên 04 kịch bản mạch vòng tiêu biểu tại 05 xuất tuyến trung áp trọng điểm.
  • Xác định chính xác nguyên nhân kỹ thuật gây kích hoạt nhầm bảo vệ rơle quá dòng chạm đất 51N tại các Recloser phân đoạn trong quá trình thao tác chuyển tải.
  • Đề xuất đồng bộ 04 nhóm giải pháp kỹ thuật về chỉnh định rơle, nâng cấp SCADA, tự động hóa tủ RMU và chuẩn hóa quy trình điều độ vận hành.
  • Định hướng lộ trình triển khai công nghệ tự động hóa lưới điện phân phối (DAS/DMS) toàn diện giai đoạn 2020 - 2025 nhằm tối ưu hóa các chỉ số độ tin cậy SAIFI và SAIDI.

Luận văn đóng góp một phương pháp tiếp cận khoa học, kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng giải tích chuyên sâu và kiểm chứng thực nghiệm tại hiện trường. Các kỹ sư và nhà quản lý hệ thống điện quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các mô hình và khuyến nghị kỹ thuật này vào công tác quản lý vận hành thực tế nhằm xây dựng lưới điện phân phối thông minh, an toàn và tin cậy cao.