Nghiên cứu các phương pháp phát hiện dao động công suất trong bảo vệ đường dây truyền tải

• Tác giả: Lê Bửu Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Tịnh Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Phương Pháp Phát Hiện Dao Động Công Suất Hỗ Trợ Chức Năng Bảo Vệ Đường Dây Truyền Tải
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. HỒ CHÍ MINH

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT BẢO VỆ KHOẢNG CÁCH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Nguyên lý bảo vệ khoảng cách
• 2.2. Các dạng đặc tuyến bảo vệ khoảng cách
• 2.2.1. Đặc tuyến Mho
• 2.2.2. Đặc tuyến tứ giác (Quadrilateral)
• 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến rơle bảo vệ khoảng cách
• 2.4. Một số trường hợp rơle khoảng cách tác động sai
• 2.4.1. Sự cố mất điện ngày tháng 7 năm 2012 tại Ấn Độ
• 2.4.2. Một số sự cố diễn ra do dao động trên lưới nước ta
• 3. CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI
• 3.1. Mô hình và các đại lượng trong dao động công suất
• 3.2. Quỹ đạo của tổng trở trong dao động công suất
• 3.3. Logic phát hiện dao động công suất của một số rơle kỹ thuật số hiện tại
• 3.3.1. Rơle khoảng cách GRZ200 của hãng Toshiba
• 3.3.2. Rơle khoảng cách P445 của hãng GE
• 3.4. Ảnh hưởng bởi sự xâm nhập của năng lượng tái tạo đến dao động công suất
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI
• 4.1. Các phương pháp xem xét tốc độ thay đổi tổng trở
• 4.1.1. Đặc tuyến đồng tâm (Concentric Characteristic)
• 4.1.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp
• 4.2. Các phương pháp tính toán khác
• 4.2.1. Phương pháp theo dõi tổng trở liên tục
• 4.2.2. Tính toán liên tục dòng cân bằng
• 4.2.3. Dựa vào điện áp tâm dao động (SCV)
• 4.2.4. Dựa vào sự thay đổi công suất ba pha
• 4.3. Các phương pháp dựa ứng dụng trên trí tuệ nhân tạo
• 4.3.1. Hệ thống neuron mờ thích ứng (Adaptive neuro-fuzzy inference system – ANFIS)
• 4.3.2. Support Vector Machine (SVM)
• 4.3.3. Mạng neuron tích chập (Convolutional Neural Networks – CNN)
• 4.4. Bảng tổng hợp các phương pháp phát hiện dao động công suất
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TUYẾN ĐỒNG TÂM
• 5.1. Mô phỏng phương pháp đặc tuyến đồng tâm trên công cụ MATLAB Simulink
• 5.2. Cấu hình và thử nghiệm chức năng phát hiện dao động công suất trên rơle RED650
• 5.2.1. Giới thiệu về rơle RED650 hãng ABB
• 5.2.2. Cấu hình chức năng chống dao động công suất trên rơle
• 5.2.3. Thử nghiệm chức năng phát hiện dao động công suất cho rơle RED650 bảo vệ đường dây Rạch Gốc – Nhà máy điện gió An Viên
• 6. CHƯƠNG 6: PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG SUPPORT VECTOR MACHINE
• 6.1. Thuật toán Support Vector Machine (SVM)
• 6.2. Giới thiệu về thư viện LibSVM
• 6.3. Ứng dụng SVM vào phát hiện dao động công suất
• 6.4. Tiến hành áp dụng thuật toán SVM phát hiện dao động công suất
• 6.5. Kết quả đánh giá thuật toán SVM
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 7.1. Kết luận chung
• 7.2. Hướng phát triển của đề tài
• 7.2.1. Thuật toán SVM
• 7.2.2. Cải tiến các phương pháp truyền thống
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: CODE MATLAB
• PHỤ LỤC 2: TRỊ SỐ ĐẶT CỦA ĐƠN VỊ ĐIỀU ĐỘ (A2)
• PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ NHẤT THỨ TRẠM 110kV RẠCH GỐC
• PHỤ LỤC 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SIMULINK
• PHỤ LỤC 5: GIỚI THIỆU RƠLE RED650

I. Giới thiệu về dao động công suất

Để hiểu rõ về dao động công suất trong hệ thống điện, cần phân tích hiện tượng này từ góc độ kỹ thuật điện. Dao động công suất xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong tải hoặc nguồn điện, dẫn đến sự thay đổi trong dòng điện và điện áp. Hiện tượng này thường gây ra những tác động không mong muốn đến các thiết bị bảo vệ, đặc biệt là bảo vệ đường dây. Việc phát hiện sớm và chính xác dao động công suất là rất quan trọng để ngăn chặn các sự cố mất điện không mong muốn. Theo nghiên cứu, hệ thống điện hiện nay ngày càng phức tạp với sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo, điều này làm tăng khả năng xảy ra dao động công suất. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp phát hiện dao động công suất là cần thiết để bảo vệ đường dây truyền tải điện.

II. Các phương pháp phát hiện dao động công suất

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có nhiều phương pháp khác nhau để phát hiện dao động công suất. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng đặc tuyến đồng tâm. Phương pháp này dựa trên việc phân tích quỹ đạo của tổng trở trong không gian điện áp và dòng điện. Đặc tuyến đồng tâm cho phép xác định được các điều kiện mà tại đó dao động công suất có thể xảy ra và từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời. Bên cạnh đó, phương pháp ứng dụng trí tuệ nhân tạo như Support Vector Machine (SVM) cũng được nghiên cứu và áp dụng. Phương pháp này có khả năng xử lý dữ liệu lớn và phức tạp, giúp cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện dao động công suất. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được phân tích kỹ lưỡng để lựa chọn phương pháp phù hợp cho từng tình huống cụ thể.

III. Ứng dụng của các phương pháp phát hiện

Việc áp dụng các phương pháp phát hiện dao động công suất trong thực tế là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Các rơle bảo vệ như RED650 được sử dụng để thực hiện chức năng phát hiện dao động công suất. Thông qua việc mô phỏng và thử nghiệm, các phương pháp đã chứng minh được hiệu quả trong việc phát hiện sớm các dấu hiệu của dao động công suất, từ đó giúp bảo vệ đường dây truyền tải khỏi các sự cố không mong muốn. Đặc biệt, việc sử dụng SVM đã cho thấy những kết quả khả quan trong việc nâng cao độ chính xác của hệ thống bảo vệ. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của nguồn năng lượng tái tạo.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết lại, nghiên cứu về dao động công suất và các phương pháp phát hiện là cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ đường dây truyền tải điện. Các phương pháp như đặc tuyến đồng tâm và SVM đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu quả bảo vệ. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để cải thiện độ chính xác và khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong thực tế. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tích hợp nhiều công nghệ hiện đại hơn, nhằm tạo ra một hệ thống bảo vệ hệ thống điện hoàn thiện hơn, đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của ngành điện lực.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh tăng trưởng kinh tế nhanh chóng của Việt Nam, ngành điện ngày càng đối mặt với yêu cầu cung cấp điện ổn định và tin cậy cho phát triển xã hội. Năm 2020, công suất nguồn điện mặt trời đã chiếm khoảng 24% tổng công suất nguồn, đạt 16.700 MW, trong đó hơn 9.200 MW là các nhà máy điện mặt trời công suất lớn. Sự gia tăng mạnh mẽ của nguồn năng lượng tái tạo đã làm phức tạp cấu hình lưới truyền tải, đặc biệt là các đường dây truyền tải công suất lớn. Một trong những thách thức lớn là hiện tượng dao động công suất trên lưới, gây ra tác động nhầm của rơle bảo vệ khoảng cách, dẫn đến mất điện ngoài ý muốn và ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp phát hiện dao động công suất nhằm hỗ trợ chức năng bảo vệ đường dây truyền tải, đặc biệt là bảo vệ khoảng cách cho các đường dây 110kV. Mục tiêu cụ thể bao gồm: tìm hiểu hiện tượng dao động công suất, phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp phát hiện hiện có, mô phỏng thuật toán phát hiện dao động công suất sử dụng đặc tuyến đồng tâm trên phần mềm MATLAB, cấu hình và thử nghiệm chức năng phát hiện trên rơle bảo vệ thực tế, đồng thời đánh giá độ chính xác của thuật toán phát hiện dựa trên Support Vector Machine (SVM). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện Việt Nam, với các thử nghiệm thực tế trên rơle RED650 bảo vệ đường dây 110kV Rạch Gốc – Nhà máy điện gió An Viên.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu các sự cố mất điện do tác động nhầm của rơle bảo vệ, đồng thời góp phần phát triển các giải pháp bảo vệ hiện đại phù hợp với xu hướng tích hợp năng lượng tái tạo ngày càng tăng.

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 bảo vệ khoảng cách: Bảo vệ khoảng cách tính toán tổng trở dựa trên điện áp và dòng điện đo được tại rơle. Tổng trở này tỷ lệ thuận với khoảng cách đến vị trí sự cố, giúp xác định vị trí sự cố trên đường dây. Các đặc tuyến bảo vệ khoảng cách phổ biến gồm đặc tuyến Mho và đặc tuyến tứ giác, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng trong việc phát hiện sự cố pha pha và pha đất.

• Hiện tượng dao động công suất trên lưới: Dao động công suất xảy ra khi có sự không cân bằng giữa nguồn và tải, dẫn đến biến động dòng điện và điện áp theo chu kỳ. Mô hình hai nguồn phát với góc lệch pha thay đổi theo thời gian được sử dụng để mô tả hiện tượng này. Quỹ đạo tổng trở đo được tại rơle trong dao động công suất có hình dạng đặc trưng trên mặt phẳng R/X, giúp phân biệt dao động công suất với sự cố.

• Các phương pháp phát hiện dao động công suất: Bao gồm phương pháp dựa trên tốc độ thay đổi tổng trở (thanh chắn đơn, thanh chắn đôi, đặc tuyến đồng tâm), phương pháp tính toán liên tục tổng trở, theo dõi dòng cân bằng, sử dụng điện áp tâm dao động (SCV), và các phương pháp ứng dụng trí tuệ nhân tạo như ANFIS, SVM và CNN. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện vận hành và đặc điểm lưới điện khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật của hệ thống điện, dữ liệu mô phỏng trên phần mềm MATLAB Simulink, dữ liệu thử nghiệm thực tế trên rơle kỹ thuật số RED650 tại trạm 110kV Rạch Gốc, cùng các dữ liệu huấn luyện và kiểm thử thuật toán SVM.

• Phương pháp phân tích: Luận văn sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để đánh giá các phương pháp phát hiện dao động công suất hiện có, từ đó lựa chọn và phát triển các giải pháp phù hợp.

• Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng thuật toán phát hiện dao động công suất sử dụng đặc tuyến đồng tâm trên MATLAB để phân tích hoạt động của phương pháp trong các trường hợp dao động khác nhau.

• Phương pháp thực nghiệm: Cấu hình và thử nghiệm chức năng phát hiện dao động công suất trên rơle RED650 bằng hợp bộ thử nghiệm OMICRON CMC356 nhằm kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

• Phương pháp đánh giá thuật toán SVM: Xử lý dữ liệu đầu vào, huấn luyện và đánh giá độ chính xác của thuật toán SVM trong phát hiện dao động công suất, so sánh kết quả với các phương pháp truyền thống.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, thử nghiệm thực tế và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của phương pháp đặc tuyến đồng tâm: Qua mô phỏng trên MATLAB và thử nghiệm thực tế trên rơle RED650, phương pháp đặc tuyến đồng tâm cho phép phát hiện dao động công suất ổn định với độ chính xác cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ lệ phát hiện dao động công suất đạt khoảng 90%, giúp khóa chức năng bảo vệ khoảng cách kịp thời, tránh tác động nhầm.

2. Độ chính xác của thuật toán SVM: Thuật toán SVM được huấn luyện với dữ liệu dao động và sự cố, đạt độ chính xác trên 95% trong việc phân biệt dao động công suất và sự cố thực tế. So với phương pháp truyền thống, SVM giảm thiểu sai số phát hiện và tăng khả năng nhận diện dao động công suất nhanh chóng.

3. Ảnh hưởng của năng lượng tái tạo: Sự xâm nhập ngày càng cao của nguồn năng lượng tái tạo làm tăng tốc độ thay đổi tổng trở và làm biến đổi quỹ đạo tổng trở trong dao động công suất. Điều này gây khó khăn cho các phương pháp phát hiện dựa trên tốc độ thay đổi tổng trở truyền thống, đòi hỏi các thuật toán phát hiện phải thích ứng với tần số dao động cao hơn.

4. Ưu nhược điểm các phương pháp phát hiện: Phương pháp dựa trên tốc độ thay đổi tổng trở có ưu điểm đơn giản, dễ triển khai nhưng kém hiệu quả với dao động nhanh và sự cố có tổng trở cao. Phương pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo như SVM và ANFIS có khả năng phân loại chính xác hơn, không phụ thuộc nhiều vào thông số hệ thống, nhưng yêu cầu dữ liệu huấn luyện lớn và tính toán phức tạp hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy phương pháp đặc tuyến đồng tâm là giải pháp khả thi để phát hiện dao động công suất trong điều kiện lưới điện hiện tại, đặc biệt khi được cấu hình chính xác trên rơle kỹ thuật số. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế trong việc phân biệt các sự cố pha thật xảy ra trong thời gian khóa chức năng phát hiện dao động, do đó cần có sự phối hợp với các phương pháp bổ trợ.

Thuật toán SVM thể hiện ưu thế vượt trội trong việc nhận dạng mẫu dao động công suất, đặc biệt trong môi trường có sự xâm nhập năng lượng tái tạo cao. Việc áp dụng SVM giúp nâng cao độ tin cậy của chức năng phát hiện, giảm thiểu nguy cơ tác động nhầm của rơle bảo vệ khoảng cách. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong ngành điện về ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong bảo vệ hệ thống điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ phát hiện dao động công suất giữa các phương pháp, bảng tổng hợp độ chính xác và thời gian phản hồi của thuật toán SVM so với phương pháp đặc tuyến đồng tâm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và hạn chế của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi phương pháp đặc tuyến đồng tâm trên rơle kỹ thuật số: Khuyến nghị các đơn vị vận hành và bảo trì hệ thống điện áp dụng phương pháp này cho các đường dây truyền tải 110kV trong vòng 12 tháng tới nhằm nâng cao độ tin cậy bảo vệ.

2. Phát triển và tích hợp thuật toán SVM vào hệ thống bảo vệ: Đề xuất nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện thuật toán SVM, xây dựng bộ dữ liệu huấn luyện đa dạng và tích hợp vào rơle kỹ thuật số trong 18 tháng, do các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị bảo vệ thực hiện.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nhận dạng dao động công suất và vận hành các chức năng bảo vệ hiện đại trong 6 tháng, nhằm đảm bảo nhân lực có đủ kiến thức và kỹ năng vận hành hệ thống bảo vệ mới.

4. Theo dõi và đánh giá ảnh hưởng của năng lượng tái tạo: Thiết lập hệ thống giám sát liên tục các dao động công suất trên lưới điện có tỷ lệ năng lượng tái tạo cao, cập nhật các thuật toán phát hiện phù hợp với đặc điểm dao động mới trong vòng 24 tháng, do các đơn vị điều độ và nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức về hiện tượng dao động công suất và các phương pháp phát hiện để vận hành hệ thống bảo vệ chính xác, giảm thiểu sự cố mất điện ngoài ý muốn.

2. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ bảo vệ điện: Tham khảo các phương pháp phát hiện dao động công suất hiện đại, đặc biệt là ứng dụng trí tuệ nhân tạo, làm cơ sở phát triển các giải pháp bảo vệ tiên tiến hơn.

3. Các nhà sản xuất thiết bị bảo vệ kỹ thuật số: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thuật toán phát hiện dao động công suất, nâng cao tính năng và độ tin cậy của sản phẩm rơle bảo vệ.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Hiểu rõ các thách thức về bảo vệ lưới điện trong bối cảnh tích hợp năng lượng tái tạo, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Dao động công suất là gì và tại sao cần phát hiện?
   Dao động công suất là hiện tượng biến động dòng điện và điện áp do sự không cân bằng giữa nguồn và tải, có thể gây tác động nhầm của rơle bảo vệ khoảng cách, dẫn đến mất điện không mong muốn. Phát hiện kịp thời giúp khóa chức năng bảo vệ, tránh ngắt lưới sai.

2. Phương pháp đặc tuyến đồng tâm hoạt động như thế nào?
   Phương pháp sử dụng hai đặc tuyến đồng tâm trên mặt phẳng tổng trở R/X để xác định vùng dao động công suất. Khi tổng trở đo được nằm trong vùng giữa hai đặc tuyến trong một khoảng thời gian nhất định, rơle xác nhận dao động công suất và khóa chức năng bảo vệ.

3. Ưu điểm của thuật toán SVM trong phát hiện dao động công suất là gì?
   SVM có khả năng phân loại chính xác giữa dao động công suất và sự cố, không phụ thuộc nhiều vào thông số hệ thống, xử lý được các dao động nhanh và phức tạp do năng lượng tái tạo gây ra, nâng cao độ tin cậy bảo vệ.

4. Năng lượng tái tạo ảnh hưởng thế nào đến dao động công suất?
   Nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là các nguồn inverter, làm tăng tốc độ thay đổi tổng trở và biến đổi quỹ đạo tổng trở, khiến dao động công suất diễn ra nhanh hơn và phức tạp hơn, gây khó khăn cho các phương pháp phát hiện truyền thống.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng bằng cách cấu hình lại các rơle bảo vệ kỹ thuật số với thuật toán phát hiện dao động công suất mới, đào tạo nhân lực vận hành, và phối hợp giám sát, đánh giá liên tục để điều chỉnh phù hợp với đặc điểm lưới điện thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và đánh giá các phương pháp phát hiện dao động công suất trên lưới điện, tập trung vào phương pháp đặc tuyến đồng tâm và thuật toán SVM.
• Phương pháp đặc tuyến đồng tâm được mô phỏng và thử nghiệm thực tế, cho kết quả phát hiện dao động công suất với độ chính xác khoảng 90%.
• Thuật toán SVM thể hiện độ chính xác trên 95%, phù hợp với điều kiện lưới điện có tỷ lệ năng lượng tái tạo cao.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy của chức năng bảo vệ khoảng cách, giảm thiểu tác động nhầm và sự cố mất điện diện rộng.
• Đề xuất tiếp tục phát triển thuật toán SVM, triển khai ứng dụng thực tế và đào tạo nhân lực để đáp ứng yêu cầu vận hành hệ thống điện hiện đại.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu để thích ứng với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo và công nghệ bảo vệ kỹ thuật số mới.