Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của quá trình chuyển dịch năng lượng tại Việt Nam đã thúc đẩy tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo tăng trưởng nhanh chóng. Tính đến cuối năm 2020, tổng công suất lắp đặt các nguồn điện mặt trời đã chiếm 24% tổng công suất nguồn toàn hệ thống (đạt 16.700 MW), trong đó có hơn 9.200 MW đến từ các trang trại điện mặt trời quy mô lớn. Sự gia tăng mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng bộ nghịch lưu (Inverter-Based Resources - IBR) làm suy giảm quán tính hệ thống điện, khiến hiện tượng dao động công suất (Power Swing) xuất hiện với tần số cao hơn và diễn biến phức tạp hơn. Khi xảy ra dao động công suất, dòng điện và điện áp thay đổi liên tục khiến tổng trở đo được tại rơ le suy giảm nghiêm trọng, dễ dàng rơi vào vùng tác động của bảo vệ khoảng cách (chức năng 21) và dẫn đến hiện tượng tác động nhầm.

Thực tế lịch sử đã ghi nhận nhiều sự cố thảm họa, điển hình là sự cố rã lưới tháng 7/2012 tại Ấn Độ làm 670 triệu người mất điện, hay sự cố ngày 02/09/2014 tại Việt Nam làm mất liên kết lưới 500kV Bắc - Nam và gây mất điện 1.840 MW tại khu vực miền Nam do rơ le khoảng cách tác động sai trong quá trình dao động. Trước thực trạng cấp bách đó, nghiên cứu này được thực hiện nhằm phân tích toàn diện hiện tượng dao động công suất, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp phát hiện dao động truyền thống và đề xuất giải pháp ứng dụng thuật toán học máy Support Vector Machine (SVM) kết hợp cấu hình thực nghiệm trên rơ le kỹ thuật số. Đề tài được triển khai trong giai đoạn từ tháng 09/2021 đến tháng 06/2022, tập trung kiểm chứng trên đường dây truyền tải 110kV Rạch Gốc - Nhà máy điện gió An Viên, hướng đến mục tiêu nâng cao độ tin cậy vận hành lưới điện truyền tải lên trên 99% và triệt tiêu nguy cơ rã lưới do bảo vệ rơ le nhảy sai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật điện và khoa học dữ liệu:

  • Lý thuyết bảo vệ khoảng cách và dao động công suất: Chức năng bảo vệ khoảng cách (ANSI 21) hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đặt rơ le để xác định tổng trở đường dây $Z = V/I$. Khi xảy ra ngắn mạch, tổng trở giảm đột ngột và rơi vào các vùng tác động (Vùng 1 bảo vệ 80% đường dây với thời gian 0 giây, Vùng 2 bảo vệ 120% với thời gian trễ từ 0,3 đến 0,5 giây). Trong chế độ dao động công suất giữa 2 nguồn điện có góc lệch rotor $\delta$ biến thiên theo thời gian, dòng điện cân bằng cực đại tại thời điểm $\delta = 180^{\circ}$ có thể vượt quá dòng ngắn mạch 3 pha, khiến quỹ tích tổng trở di chuyển sâu vào vùng tác động của rơ le.
  • Lý thuyết học máy và tối ưu hóa phân lớp: Ứng dụng lý thuyết Máy véctơ hỗ trợ (Support Vector Machine - SVM) nhằm tìm kiếm siêu phẳng tối ưu phân tách hai miền dữ liệu độc lập với khoảng cách lề (margin) lớn nhất.
  • Hệ thống khái niệm kỹ thuật chính: Đặc tuyến đồng tâm (Concentric Characteristic với 2 ranh giới $Z_{IN}$ và $Z_{OUT}$), Điện áp tâm dao động (Swing Center Voltage - SCV), Thành phần dòng điện cân bằng (Superimposed Current), và Khối chức năng chống dao động công suất (Power Swing Blocking - PSB).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng:

  • Nguồn dữ liệu và Cỡ mẫu: Tập dữ liệu nghiên cứu bao gồm 1.200 kịch bản vận hành được tạo lập từ lưới điện mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink. Cỡ mẫu được phân chia theo phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích (Stratified Purposive Sampling), bao gồm 800 trường hợp sự cố ngắn mạch (ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha chạm đất với điện trở quá độ biến thiên từ 0 đến 50 Ohm) và 400 trường hợp dao động công suất với dải tần số biến thiên từ 0,1 Hz đến 7 Hz ở các mức truyền tải công suất từ 20% đến 120% công suất định mức.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng thuật toán SVM thông qua thư viện LibSVM để huấn luyện và phân loại vector đặc trưng dòng - áp. Lý do lựa chọn SVM thay vì các mạng nơ-ron sâu phức tạp là vì SVM có khả năng tổng quát hóa xuất sắc trên tập dữ liệu số chiều cao, không bị rơi vào cực trị địa phương, thời gian tính toán nhanh dưới 10 mili-giây, rất phù hợp để nhúng vào vi xử lý rơ le thời gian thực.
  • Thực nghiệm khoa học: Sử dụng hợp bộ thử nghiệm chuyên dụng Omicron CMC356 kết hợp phần mềm Test Universe 4.x để bơm tín hiệu dòng - áp thứ cấp trực tiếp vào rơ le bảo vệ kỹ thuật số ABB RED650 đặt tại trạm biến áp 110kV Rạch Gốc. Quá trình kiểm tra được thực hiện qua 15 chuỗi thử nghiệm trạng thái liên tục trong thời gian 3 tháng nhằm đối soát tuyệt đối với kết quả lý thuyết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thử nghiệm thực nghiệm đã đem lại 3 phát hiện khoa học quan trọng:

  1. Hạn chế của phương pháp đặc tuyến đồng tâm truyền thống: Phương pháp đặc tuyến đồng tâm trên rơ le ABB RED650 nhận dạng hiệu quả các dao động công suất ổn định có tần số thấp (dưới 1,5 Hz) với độ trễ phát hiện trung bình 35 mili-giây. Tuy nhiên, khi tần số dao động vượt mức 3,5 Hz do quán tính hệ thống suy giảm bởi sự thâm nhập của nguồn điện mặt trời và điện gió, tốc độ thay đổi tổng trở $dZ/dt$ tăng vọt, khiến thời gian tổng trở di chuyển giữa hai đặc tuyến $Z_{OUT}$ và $Z_{IN}$ giảm xuống dưới 15 mili-giây, dẫn đến việc rơ le không kịp kích hoạt tín hiệu khóa PSB và gây cắt nhầm đường dây.
  2. Độ chính xác vượt trội của thuật toán SVM: Thuật toán SVM đạt tỷ lệ phân loại chính xác tổng thể lên đến 99,25% trên tập dữ liệu kiểm tra 300 mẫu độc lập. Khả năng phân biệt giữa ngắn mạch thực sự và dao động công suất đạt độ nhạy 99,4% đối với sự cố chạm đất qua điện trở cao 40 Ohm, cải thiện hơn 14,8% so với phương pháp giám sát đạo hàm điện áp tâm dao động (SCV).
  3. Khả năng bảo vệ liên tục khi xuất hiện sự cố trong quá trình dao động: Khi xảy ra sự cố ngắn mạch thật sự trong lúc rơ le đang ở trạng thái khóa do dao động công suất, thuật toán cải tiến đã giải phóng lệnh khóa trong thời gian chỉ 18 mili-giây, cho phép chức năng bảo vệ khoảng cách tác động cắt máy cắt kịp thời, bảo vệ an toàn 100% cho đường dây 110kV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến phương pháp đặc tuyến đồng tâm bộc lộ hạn chế là do nguyên lý cài đặt thời gian trễ cố định (Timer PSB) không còn bắt kịp sự biến thiên động học nhanh của lưới điện tích hợp nguồn phân tán IBR. Khi mật độ năng lượng tái tạo tăng cao, quỹ tích tổng trở di chuyển phi tuyến và có thể cắt chéo các góc của đặc tuyến tứ giác hoặc mho.

Kết quả phân tách của thuật toán SVM có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng ma trận nhầm lẫn (Confusion Matrix) với 298/300 trường hợp nhận dạng đúng, và biểu đồ không gian trạng thái thể hiện siêu phẳng phân chia rõ ràng giữa nhóm vector dòng ngắn mạch và dòng cân bằng dao động. So với logic giám sát dòng cân bằng trên rơ le GE P445 (vốn đòi hỏi độ thay đổi dòng điện phải vượt quá 5% dòng định mức trong 3 chu kỳ liên tiếp), giải pháp SVM cho phản ứng nhanh hơn 40 mili-giây và không bị phụ thuộc vào mức tải ban đầu của hệ thống điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và ngăn ngừa sự cố rã lưới truyền tải, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

  • Rà soát và chuẩn hóa quy trình chỉnh định đặc tuyến bảo vệ: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia cùng các Trung tâm Điều độ miền cần tiến hành tính toán, tái chỉnh định thông số rơ le bảo vệ khoảng cách cho 100% các tuyến đường dây 110kV - 220kV giải tỏa công suất năng lượng tái tạo. Thời gian hoàn thành mục tiêu trong vòng 12 tháng, tập trung tối ưu hóa thông số cài đặt $Z_{IN}$, $Z_{OUT}$ và bộ định thời PSB để giảm thiểu 85% nguy cơ tác động sai.
  • Thử nghiệm tích hợp thuật toán AI vào firmware rơ le số: Các đơn vị nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo vệ điện phối hợp với Tập đoàn Điện lực triển khai dự án tích hợp thuật toán SVM vào vi xử lý DSP của rơ le kỹ thuật số thế hệ mới. Mục tiêu đạt tốc độ xử lý tín hiệu dưới 10 mili-giây và độ chính xác trên 99%, thực hiện thử nghiệm diện hẹp trong giai đoạn 2024 - 2025.
  • Hiện đại hóa thiết bị kiểm định và thí nghiệm rơ le tại hiện trường: Các Công ty Truyền tải điện cần trang bị đồng bộ 100% hợp bộ thử nghiệm tự động đa kênh như Omicron CMC356 và chuyển đổi sang trạm biến áp số sử dụng máy biến điện áp, biến dòng quang học (NCIT) chuẩn IEC 61850. Kế hoạch triển khai hoàn thành trong thời gian 18 tháng tại các trạm nút 220kV - 500kV.
  • Xây dựng cơ sở dữ liệu số về dao động công suất lưới điện: Viện Năng lượng chủ trì thiết lập hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu ghi nhận sự cố (Disturbance Recorder) với quy mô trên 5.000 bản ghi thực tế hàng năm. Cơ sở dữ liệu này phục vụ công tác huấn luyện liên tục các mô hình học máy tự thích nghi, triển khai định kỳ mỗi quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư bảo vệ rơ le và điều độ hệ thống điện: Ứng dụng trực tiếp quy trình chỉnh định, cấu hình khối chức năng ZMBURPSB trên rơ le ABB RED650 và phần mềm PCM600 cho các đường dây 110kV kết nối nhà máy điện gió, điện mặt trời.
  • Chuyên gia R&D và sản xuất thiết bị điện: Tiếp cận phương pháp thiết kế thuật toán phân lớp thông minh dựa trên SVM và thư viện LibSVM để nhúng vào hệ điều hành rơ le số thế hệ mới.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng mô hình toán học, tập lệnh MATLAB/Simulink và các trường hợp mô phỏng sự cố thực tế làm học liệu phục vụ nghiên cứu chuyên sâu về ổn định động hệ thống điện.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy năng lượng tái tạo: Nắm rõ cơ chế tương tác giữa bộ nghịch lưu biến tần và lưới điện truyền tải để tối ưu hóa phối hợp bảo vệ nội bộ, giảm 95% tình trạng ngắt nhầm máy cắt phát điện khi có dao động thoáng qua.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao dao động công suất lại khiến rơ le bảo vệ khoảng cách tác động nhầm?
    Trong quá trình dao động công suất, góc lệch pha giữa các nguồn điện biến thiên liên tục, tạo ra dòng điện cân bằng lớn và làm sụt áp nghiêm trọng. Khi đó, tỷ số tổng trở đo được $Z = V/I$ giảm sâu và đi vào vùng tác động của rơ le khoảng cách, khiến rơ le hiểu nhầm là sự cố ngắn mạch và gửi lệnh cắt máy cắt ngoài ý muốn.
  • Đặc tuyến đồng tâm trên rơ le ABB RED650 hoạt động như thế nào?
    Khối chức năng ZMBURPSB trên rơ le ABB RED650 sử dụng 2 vòng đặc tuyến bao quanh nhau ($Z_{IN}$ bên trong và $Z_{OUT}$ bên ngoài). Khi tổng trở di chuyển từ ngoài vào trong và lưu lại trong dải phân cách giữa 2 đặc tuyến lâu hơn thời gian cài đặt định trước (từ 20 đến 40 mili-giây), rơ le xác nhận là dao động công suất và khóa chức năng bảo vệ khoảng cách.
  • Sự gia tăng của nguồn năng lượng tái tạo ảnh hưởng ra sao đến chức năng phát hiện dao động?
    Các nguồn điện mặt trời và điện gió sử dụng biến tần IBR làm giảm quán tính quay của hệ thống, khiến tần số dao động công suất tăng từ mức thông thường 0,5 - 1,5 Hz lên trên 4 - 5 Hz. Tốc độ quét tổng trở quá nhanh khiến các rơ le sử dụng bộ định thời truyền thống không kịp nhận dạng và đưa ra quyết định khóa chính xác.
  • Thuật toán SVM có ưu điểm gì vượt trội so với các phương pháp truyền thống?
    Thuật toán SVM không dựa vào ngưỡng thời gian cố định mà tự động phân tích không gian vector đặc trưng của dòng điện và điện áp. Thuật toán đạt độ chính xác nhận dạng trên 99,15%, phát hiện sự cố cực nhanh trong vòng 10 - 15 mili-giây và không bị ảnh hưởng bởi mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo hay điện trở quá độ của điểm ngắn mạch.
  • Những công cụ nào đã được sử dụng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu?
    Nghiên cứu đã phối hợp đồng bộ giữa phần mềm mô phỏng hệ thống điện MATLAB/Simulink, công cụ cấu hình rơ le chuyên dụng ABB PCM600, phần mềm kiểm tra tự động Test Universe và thiết bị thí nghiệm phần cứng hợp bộ dòng áp Omicron CMC356 với độ chính xác tín hiệu đạt chuẩn quốc tế.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán nhận dạng và ngăn ngừa tác động nhầm của bảo vệ khoảng cách trong các chế độ dao động công suất trên lưới điện truyền tải.
  • Chỉ rõ giới hạn kỹ thuật của phương pháp đặc tuyến đồng tâm truyền thống trên rơ le ABB RED650 khi tần số dao động vượt quá 3,5 Hz do ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo.
  • Phát triển và chứng minh thành công thuật toán phân loại dựa trên Support Vector Machine (SVM) với độ chính xác vượt trội đạt 99,25%, phản hồi trong thời gian dưới 15 mili-giây.
  • Kiểm chứng thực nghiệm thành công mô hình trên rơ le số thực tế bảo vệ đường dây 110kV Rạch Gốc - Nhà máy điện gió An Viên thông qua hợp bộ Omicron CMC356.
  • Kế hoạch tiếp theo cần tập trung thương mại hóa, nhúng thuật toán vào phần cứng rơ le thời gian thực và mở rộng phạm vi áp dụng cho lưới điện truyền tải 220kV - 500kV trong giai đoạn 2024 - 2026.

Hãy liên hệ và kết nối ngay với nhóm nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điện tại Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM để hợp tác chuyển giao công nghệ, tối ưu hóa hệ thống bảo vệ rơ le và nâng cao độ ổn định cho lưới điện của bạn!