Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng đến người tiêu dùng cuối cùng. Theo ước tính, với sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn phát phân tán (Distributed Generators - DG) như điện mặt trời, điện gió, dòng ngắn mạch ngược (reverse short-circuit currents - SCC) do DG tạo ra đã gây ra nhiều thách thức trong việc điều phối bảo vệ hệ thống. Các thiết bị bảo vệ chính như rơle quá dòng không hướng (Non-directional Overcurrent Relays - NDOCR), recloser và cầu chì bảo vệ thường hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh dòng điện thực tế với dòng điện cho phép. Tuy nhiên, sự xuất hiện của DG làm thay đổi đặc tính dòng sự cố, dẫn đến hiện tượng tác động sai của các thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn vận hành của LĐPP.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một phương pháp điều phối bảo vệ hiệu quả giữa NDOCR, recloser và cầu chì bảo vệ, có xét đến ảnh hưởng của dòng ngắn mạch ngược do các nguồn phân tán trên lưới điện phân phối PC Gia Định. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tuyến dây Du Lịch thuộc LĐPP 22kV của Công ty Điện lực Gia Định, với dữ liệu thu thập thực tế và mô phỏng trên phần mềm ETAP trong khoảng thời gian từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2021. Nghiên cứu không chỉ giúp xác định các trị số cài đặt tối ưu cho các thiết bị bảo vệ mà còn nâng cao tính chọn lọc và độ nhạy của hệ thống bảo vệ, góp phần giảm thiểu sự cố và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý hoạt động của thiết bị bảo vệ quá dòng không hướng (NDOCR), recloser và cầu chì bảo vệ: Các thiết bị này hoạt động dựa trên việc phát hiện dòng điện vượt quá ngưỡng cho phép và phối hợp thời gian để cách ly sự cố một cách chọn lọc.
  • Ảnh hưởng của dòng ngắn mạch ngược (SCC) do nguồn phân tán (DG): Dòng SCC từ DG có thể gây tác động sai, làm mất phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị.
  • Thuật toán tìm kiếm tối ưu trọng trường (Gravitational Search Algorithm - GSA): Được ứng dụng để tối ưu hóa các tham số cài đặt của NDOCR và recloser nhằm đảm bảo phối hợp bảo vệ hiệu quả trong môi trường có DG.
  • Các khái niệm chính: Dòng khởi động (pickup current), hệ số thời gian (Time Dial Setting - TDS), đặc tuyến bảo vệ theo thời gian (A, B, C), khoảng thời gian phối hợp (Coordination Time Interval - CTI).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực tế được thu thập từ tuyến dây Du Lịch thuộc LĐPP 22kV của Công ty Điện lực Gia Định, bao gồm thông số thiết bị bảo vệ, dòng sự cố đo được (3 pha: 8721A, 1 pha chạm đất: 7561A), và đặc tính cầu chì.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích dòng ngắn mạch và mô phỏng phối hợp bảo vệ trên phần mềm ETAP, kết hợp với thuật toán GSA để tối ưu hóa các tham số cài đặt.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tuyến dây Du Lịch với 40 nút và 28 phụ tải được chọn làm mẫu nghiên cứu đại diện cho LĐPP có DG.
  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của DG đến dòng sự cố và phối hợp bảo vệ:
    Dòng ngắn mạch qua recloser F25 khi có DG 1130kW thay đổi đáng kể, ví dụ dòng sự cố 3 pha tăng lên đến khoảng 9000A so với 8721A khi không có DG, làm thay đổi thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ.

  2. Hiệu quả của thuật toán GSA trong tối ưu hóa cài đặt:
    Thuật toán GSA đã tìm ra các hệ số A, B, C và TDS tối ưu cho NDOCR và recloser, giúp giảm tổng thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ xuống khoảng 15-20% so với phương pháp truyền thống, đồng thời đảm bảo CTI ≥ 0,4 giây.

  3. Phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị:
    Phối hợp giữa cầu chì với cầu chì, cầu chì với recloser và giữa NDOCR với recloser được đảm bảo với các ràng buộc thời gian và dòng điện, giảm thiểu hiện tượng tác động sai do dòng ngắn mạch ngược từ DG.

  4. So sánh mô hình có và không có DG:
    Khi có DG, các trị số cài đặt dòng khởi động và thời gian tác động của NDOCR và recloser cần được điều chỉnh tăng trung bình 10-15% để tránh tác động sai, trong khi vẫn giữ được tính chọn lọc bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi trong phối hợp bảo vệ là do dòng ngắn mạch ngược từ DG làm tăng dòng sự cố quan sát được tại các thiết bị bảo vệ, gây ra hiện tượng tác động sai hoặc mất phối hợp. Kết quả mô phỏng trên ETAP và tính toán bằng thuật toán GSA cho thấy việc điều chỉnh các tham số bảo vệ là cần thiết để thích ứng với sự hiện diện của DG. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào phối hợp giữa rơle và recloser, luận văn đã mở rộng phạm vi phối hợp bao gồm cả cầu chì, giúp tăng tính toàn diện và thực tiễn cho hệ thống bảo vệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thời gian tác động của từng thiết bị bảo vệ trong các trường hợp sự cố khác nhau, cũng như bảng so sánh trị số cài đặt trước và sau khi tối ưu hóa. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu quả phối hợp bảo vệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cập nhật trị số cài đặt thiết bị bảo vệ định kỳ:
    Các Công ty Điện lực nên áp dụng phương pháp điều phối bảo vệ đề xuất để định kỳ rà soát và điều chỉnh trị số cài đặt của NDOCR, recloser và cầu chì, đặc biệt khi có sự thay đổi về công suất hoặc vị trí DG trên lưới. Thời gian thực hiện: 6 tháng/lần.

  2. Triển khai phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa:
    Khuyến nghị sử dụng phần mềm ETAP kết hợp thuật toán GSA để mô phỏng và tối ưu hóa phối hợp bảo vệ trên các tuyến dây trọng điểm, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả vận hành. Chủ thể thực hiện: Trung tâm điều độ và phòng kỹ thuật.

  3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về ảnh hưởng của DG đến hệ thống bảo vệ và cách áp dụng phương pháp điều phối bảo vệ mới nhằm nâng cao năng lực xử lý sự cố. Thời gian: 3 tháng đầu năm.

  4. Xây dựng hệ thống cảnh báo tự động:
    Phát triển hệ thống cảnh báo mất phối hợp bảo vệ dựa trên dữ liệu thời gian thực và kết quả phân tích để kịp thời xử lý các trường hợp không đảm bảo phối hợp, giảm thiểu rủi ro sự cố lan rộng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý lưới điện và phòng công nghệ thông tin.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện phân phối:
    Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hệ thống bảo vệ và cách điều chỉnh thiết bị bảo vệ phù hợp nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực quản lý năng lượng:
    Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tối ưu hóa phối hợp bảo vệ trong môi trường lưới điện có DG, hỗ trợ phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện:
    Tham khảo để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến tích hợp nguồn phân tán và bảo vệ lưới điện phân phối.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành quản lý năng lượng và kỹ thuật điện:
    Là tài liệu tham khảo học thuật, giúp nắm bắt các phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thuật toán tối ưu trong lĩnh vực bảo vệ lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xem xét dòng ngắn mạch ngược do nguồn phân tán trong phối hợp bảo vệ?
    Dòng ngắn mạch ngược do DG tạo ra có thể làm tăng dòng sự cố quan sát được tại các thiết bị bảo vệ, gây tác động sai hoặc mất phối hợp, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của hệ thống.

  2. Phương pháp điều phối bảo vệ đề xuất có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Phương pháp sử dụng thuật toán GSA để tối ưu hóa các tham số cài đặt, giúp giảm thời gian tác động tổng thể và đảm bảo phối hợp bảo vệ hiệu quả trong môi trường có DG, điều mà phương pháp truyền thống không xem xét.

  3. Làm thế nào để xác định dòng khởi động cho các chức năng bảo vệ 50P, 51P, 50G, 51G?
    Dòng khởi động được xác định dựa trên các hệ số an toàn, dòng điện phụ tải cực đại, dòng điện ngắn mạch cực đại và các đặc tính biến dòng điện, theo các công thức chuẩn được trình bày trong luận văn.

  4. Thuật toán Gravitational Search Algorithm (GSA) hoạt động như thế nào trong tối ưu hóa?
    GSA mô phỏng lực hấp dẫn giữa các tác nhân trong không gian tìm kiếm, cập nhật vị trí và vận tốc dựa trên lực hấp dẫn và gia tốc, từ đó tìm ra bộ tham số tối ưu cho bài toán điều phối bảo vệ.

  5. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    ETAP được dùng để mô phỏng mô hình tuyến dây Du Lịch, tính toán dòng sự cố và kiểm tra phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị bảo vệ trước và sau khi áp dụng phương pháp tối ưu, giúp đánh giá hiệu quả thực tiễn.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công phương pháp điều phối bảo vệ giữa NDOCR, recloser và cầu chì bảo vệ có xét đến dòng ngắn mạch ngược do nguồn phân tán trên lưới điện phân phối PC Gia Định.
  • Thuật toán GSA được ứng dụng hiệu quả trong việc tối ưu hóa các tham số cài đặt, giảm tổng thời gian tác động và đảm bảo tính chọn lọc bảo vệ.
  • Mô hình mô phỏng trên phần mềm ETAP với dữ liệu thực tế đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp đề xuất.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành của LĐPP trong bối cảnh tích hợp ngày càng nhiều nguồn phân tán.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế và khuyến nghị đào tạo, cập nhật thiết bị nhằm ứng dụng rộng rãi phương pháp trong ngành điện.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý lưới điện nên triển khai áp dụng phương pháp này trong công tác vận hành và bảo trì, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các cấu trúc lưới phức tạp hơn.