Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh lưới điện trung thế tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) ngày càng phức tạp với sự gia tăng số lượng thiết bị bảo vệ như máy cắt, recloser và relay quá dòng, việc đảm bảo phối hợp bảo vệ chính xác và hiệu quả trở thành một thách thức lớn. Theo báo cáo của ngành điện, mỗi trạm trung gian thường có ít nhất 3 thiết bị bảo vệ, dẫn đến khó khăn trong việc thiết lập thời gian tác động bảo vệ để đảm bảo tính chọn lọc và tránh hiện tượng đồng thời tác động gây mất điện diện rộng. Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa thời gian tác động của các relay và recloser nhằm đảm bảo phối hợp bảo vệ, giảm thiểu hiện tượng tác động quá mức hoặc đồng thời, từ đó nâng cao các chỉ số độ tin cậy như SAIFI, SAIDI và MAIFI của lưới điện TP.HCM.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện trung thế tại TP.HCM trong giai đoạn 2016-2020, với dữ liệu thu thập từ các thiết bị bảo vệ thực tế và hệ thống SCADA. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện và tăng cường khả năng vận hành an toàn, ổn định cho hệ thống điện đô thị lớn. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trực tiếp tại Tổng công ty Điện lực TP.HCM, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình bảo vệ quá dòng, phối hợp bảo vệ và tối ưu hóa thời gian tác động relay, bao gồm:

  • Lý thuyết bảo vệ quá dòng (Overcurrent Protection): Bao gồm các loại relay quá dòng tức thời (50) và quá dòng có thời gian (51), với các đặc tính như IDMT (Inverse Definite Minimum Time) và DMT (Definite Minimum Time). Các tham số kỹ thuật như dòng định mức, thời gian tác động, độ nhạy được phân tích chi tiết.

  • Mô hình phối hợp bảo vệ (Coordination of Protection Devices): Nguyên tắc phối hợp dựa trên bậc thời gian (time grading) và bậc dòng (current grading) nhằm đảm bảo relay gần nguồn sự cố tác động trước, relay xa nguồn tác động sau, tránh hiện tượng tác động đồng thời.

  • Thuật toán tối ưu hóa (Optimization Algorithms): Áp dụng các thuật toán như Black Hole (BH), Grey Wolf Optimizer (GWO), Particle Swarm Optimization (PSO) để tìm bộ tham số thời gian tối ưu cho các relay, giảm thiểu thời gian tác động mà vẫn đảm bảo phối hợp bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: thời gian tác động relay, thời gian reset timer, độ nhạy relay, đặc tính dòng-thời gian IDMT, bậc thời gian phối hợp, và các thuật toán tối ưu hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống lưới điện trung thế TP.HCM, bao gồm thông số kỹ thuật của relay MiCOM (P120, P121, P122, P123), Siemens 7SJ512, Toshiba GRD100 và SEL 551, cùng dữ liệu vận hành thực tế từ hệ thống SCADA. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 80 tuyến trung thế với các thiết bị bảo vệ được khảo sát và phân tích.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thu thập và phân tích đặc tính kỹ thuật của các relay quá dòng, recloser, máy cắt.

  • Xây dựng mô hình phối hợp bảo vệ dựa trên các đặc tính dòng-thời gian và nguyên tắc bậc thời gian.

  • Áp dụng các thuật toán tối ưu hóa BH, GWO, PSO để điều chỉnh tham số thời gian tác động relay nhằm tối ưu hóa phối hợp bảo vệ.

  • Kiểm tra tính hợp lệ của phối hợp bảo vệ qua các tiêu chí như thời gian chặn (time margin), thời gian cắt ngắn mạch tối đa.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2020, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích đặc tính relay, mô phỏng tối ưu hóa và đánh giá kết quả thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa thời gian tác động relay giảm trung bình 15-20% so với thiết lập ban đầu: Qua áp dụng thuật toán Black Hole và Grey Wolf Optimizer, thời gian tác động relay được rút ngắn đáng kể, giúp giảm thời gian xử lý sự cố và hạn chế tác động đồng thời của các thiết bị bảo vệ.

  2. Đảm bảo bậc thời gian phối hợp với thời gian chặn tối thiểu 300-950 ms: Kết quả phân tích cho thấy khoảng cách thời gian giữa các relay bảo vệ được duy trì trong khoảng 300-950 ms, phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 255-4, đảm bảo tính chọn lọc và tránh hiện tượng tác động đồng thời.

  3. Giảm tỷ lệ sự cố do tác động quá mức và đồng thời xuống dưới 5%: So với trước khi tối ưu, tỷ lệ relay tác động đồng thời hoặc quá mức giảm từ khoảng 15% xuống dưới 5%, góp phần giảm thiểu mất điện diện rộng và cải thiện độ tin cậy lưới điện.

  4. Cải thiện các chỉ số SAIFI, SAIDI và MAIFI của lưới điện TP.HCM: Sau khi áp dụng giải pháp tối ưu, các chỉ số độ tin cậy điện năng như SAIFI (tần suất mất điện trung bình), SAIDI (thời gian mất điện trung bình) và MAIFI (tần suất mất điện thoáng qua) đều có xu hướng giảm, nâng cao chất lượng cung cấp điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện là do việc tối ưu hóa tham số thời gian tác động relay giúp tăng tính chọn lọc trong bảo vệ, giảm thiểu hiện tượng relay gần nguồn sự cố tác động trước, relay xa nguồn tác động sau. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo về ứng dụng thuật toán BH và GWO trong tối ưu hóa bảo vệ quá dòng.

Việc duy trì thời gian chặn tối thiểu từ 300 đến 950 ms là phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo relay không tác động đồng thời gây mất điện diện rộng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố thời gian chặn giữa các relay và bảng so sánh tỷ lệ sự cố trước và sau tối ưu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp Tổng công ty Điện lực TP.HCM nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng cường độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng thuật toán tối ưu hóa thời gian tác động relay trên toàn bộ hệ thống lưới điện trung thế TP.HCM: Động từ hành động: triển khai; Target metric: giảm thời gian tác động trung bình 15-20%; Timeline: trong vòng 12 tháng; Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật và vận hành Tổng công ty Điện lực TP.HCM.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư vận hành về thiết lập và kiểm tra phối hợp bảo vệ: Động từ hành động: đào tạo; Target metric: 100% kỹ sư vận hành được huấn luyện; Timeline: 6 tháng; Chủ thể thực hiện: Phòng đào tạo và phát triển nguồn nhân lực.

  3. Xây dựng hệ thống giám sát và phân tích dữ liệu vận hành relay theo thời gian thực qua SCADA: Động từ hành động: xây dựng; Target metric: giám sát 100% thiết bị bảo vệ; Timeline: 18 tháng; Chủ thể thực hiện: Ban công nghệ thông tin và vận hành.

  4. Cập nhật và chuẩn hóa quy trình bảo trì, kiểm tra định kỳ relay và recloser theo tiêu chuẩn quốc tế: Động từ hành động: chuẩn hóa; Target metric: giảm lỗi thiết bị bảo vệ xuống dưới 3%; Timeline: 12 tháng; Chủ thể thực hiện: Ban bảo trì và kỹ thuật.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng các thuật toán tối ưu khác như MINLP, HGA để nâng cao hiệu quả phối hợp bảo vệ: Động từ hành động: nghiên cứu; Target metric: cải thiện thêm 5-10% hiệu quả phối hợp; Timeline: 24 tháng; Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nắm bắt kiến thức về phối hợp bảo vệ relay, tối ưu hóa thời gian tác động, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ bảo vệ điện: Tham khảo các thuật toán tối ưu hóa hiện đại và ứng dụng thực tiễn trong hệ thống điện đô thị.

  3. Quản lý kỹ thuật tại các công ty điện lực: Hiểu rõ về các chỉ số độ tin cậy lưới điện và các giải pháp nâng cao chất lượng cung cấp điện.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết bảo vệ quá dòng, phối hợp bảo vệ và ứng dụng thuật toán tối ưu trong thực tế.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kiến thức từ luận văn để cải thiện quy trình vận hành, nghiên cứu phát triển hoặc học tập nâng cao chuyên môn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hóa thời gian tác động relay trong hệ thống điện?
    Tối ưu hóa giúp giảm thời gian xử lý sự cố, đảm bảo relay gần nguồn sự cố tác động trước, tránh hiện tượng đồng thời tác động gây mất điện diện rộng, nâng cao độ tin cậy lưới điện.

  2. Các thuật toán tối ưu nào được áp dụng trong nghiên cứu này?
    Nghiên cứu sử dụng các thuật toán Black Hole, Grey Wolf Optimizer và Particle Swarm Optimization để tìm bộ tham số thời gian tối ưu cho relay.

  3. Làm thế nào để kiểm tra tính phối hợp bảo vệ giữa các relay?
    Kiểm tra dựa trên thời gian chặn (time margin) giữa các relay, đảm bảo khoảng cách thời gian tối thiểu từ 300 đến 950 ms theo tiêu chuẩn IEEE 255-4.

  4. Các chỉ số SAIFI, SAIDI và MAIFI phản ánh điều gì trong lưới điện?
    SAIFI đo tần suất mất điện trung bình, SAIDI đo thời gian mất điện trung bình, MAIFI đo tần suất mất điện thoáng qua trung bình, tất cả đều phản ánh độ tin cậy cung cấp điện.

  5. Giải pháp nào giúp giảm thiểu sự cố do tác động đồng thời của relay?
    Tối ưu hóa tham số thời gian tác động relay, đào tạo kỹ thuật viên, xây dựng hệ thống giám sát thời gian thực và chuẩn hóa quy trình bảo trì giúp giảm thiểu hiện tượng này.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã tối ưu hóa thành công thời gian tác động relay và recloser trên lưới điện trung thế TP.HCM, giảm trung bình 15-20% thời gian xử lý sự cố.
  • Đảm bảo bậc thời gian phối hợp với thời gian chặn tối thiểu từ 300 đến 950 ms, phù hợp tiêu chuẩn quốc tế.
  • Giảm tỷ lệ sự cố do tác động quá mức và đồng thời xuống dưới 5%, nâng cao độ tin cậy lưới điện.
  • Cải thiện các chỉ số SAIFI, SAIDI và MAIFI, góp phần nâng cao chất lượng cung cấp điện cho khách hàng.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi, đào tạo nhân lực và xây dựng hệ thống giám sát để duy trì hiệu quả lâu dài.

Next steps: Triển khai áp dụng giải pháp tối ưu trên toàn hệ thống, đồng thời nghiên cứu mở rộng các thuật toán tối ưu mới.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện cần phối hợp triển khai các giải pháp tối ưu hóa bảo vệ để nâng cao độ tin cậy và an toàn hệ thống điện.