Nghiên cứu tối ưu vị trí lắp đặt hệ thống đo lường pha PMU trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện nghiên cứu tối ưu vị trí lắp đặt hệ thống đo lường pha pmu, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Dương Thị Lệ Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phúc Khải
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Tối Ưu Vị Trí Lắp Đặt Hệ Thống Đo Lường Pha PMU
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: SỰ CẦN THIẾT TRANG BỊ HỆ THỐNG PMU
• 1.1. Hệ thống điện Việt Nam
• 1.2. Sự cần thiết của việc trang bị hệ thống đo lường đồng bộ pha
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PMU
• 2.1. Định nghĩa
• 2.2. Cấu tạo cơ bản của bộ PMU
• 2.3. Sơ đồ đấu nối cơ bản của thiết bị PMU
• 2.4. So sánh giữa SCADA truyền thống khi có trang bị và không được trang bị PMU
• 2.5. Các luật quan sát cơ bản của PMU
• 2.6. Các hệ thống ứng dụng PMU trên thế giới và hiện trạng ở Việt Nam
• 2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMU
• 3.1. Xây dựng bài toán tối ưu số lượng PMU
• 3.2. Mô hình toán tối ưu vị trí của PMUs
• 4. CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH SỐ NGUYÊN
• 4.1. Bài toán tối ưu
• 4.2. Bài toán quy hoạch tuyến tính
• 4.3. Bài toán quy hoạch tuyến tính số nguyên
• 4.4. Sử dụng công cụ MATLAB giải bài toán tối ưu tuyến tính số nguyên
• 5. CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMUs TRONG MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỂN HÌNH
• 5.1. Với hệ thống 7 nút
• 5.2. Với hệ thống IEEE-14 nút
• 6. CHƯƠNG 6: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMUs HỆ THỐNG ĐIỆN 500kV VIỆT NAM
• 6.1. Lưới điện 500kV Việt Nam
• 6.2. Xây dựng các ma trận thành phần
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống đo lường pha PMU

Hệ thống đo lường pha (PMU) là một công nghệ tiên tiến trong giám sát và điều khiển hệ thống điện. PMU cho phép đo lường đồng bộ các tín hiệu điện áp và dòng điện, giúp quản lý chất lượng điện năng và cải thiện hiệu suất của hệ thống điện. Việc tối ưu hóa vị trí lắp đặt PMU là rất quan trọng nhằm đảm bảo độ phủ sóng và hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu. Tác giả đã chỉ ra rằng việc lắp đặt hệ thống đo lường một cách hợp lý không chỉ giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao khả năng giám sát toàn bộ hệ thống. Theo nghiên cứu, PMU có khả năng cung cấp thông tin thời gian thực về trạng thái của hệ thống điện, từ đó giúp phát hiện sớm các sự cố và đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

1.1 Định nghĩa và cấu tạo của PMU

PMU (Phasor Measurement Unit) được định nghĩa bởi IEEE là thiết bị có khả năng đo lường đồng bộ góc pha, tần số và tốc độ thay đổi của tần số. Cấu tạo của một bộ PMU bao gồm ba thành phần chính: module thu tín hiệu GPS, module thu thập dữ liệu và module truyền thông. Module GPS đảm bảo đồng bộ thời gian với vệ tinh, trong khi module thu thập dữ liệu thực hiện nhiệm vụ lấy mẫu và xử lý các thông số điện năng. Module truyền thông chịu trách nhiệm giao tiếp và truyền dữ liệu đến các hệ thống điều khiển. Việc hiểu rõ cấu tạo và chức năng của PMU giúp tối ưu hóa việc lắp đặt và sử dụng thiết bị này trong hệ thống điện.

II. Tối ưu hóa vị trí lắp đặt PMU

Việc tối ưu hóa vị trí lắp đặt hệ thống đo lường là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Tác giả đã áp dụng bài toán quy hoạch tuyến tính để xác định vị trí lắp đặt tối ưu cho các PMU trong hệ thống điện. Bằng cách sử dụng phương pháp này, tác giả đã tính toán số lượng PMU cần thiết cho các hệ thống điện khác nhau như hệ thống 7 nút, IEEE 14 nút và lưới điện 500kV của Việt Nam. Kết quả cho thấy, với một hệ thống điện có 37 thanh cái 500kV, số lượng PMU tối thiểu cần lắp đặt là 10 bộ. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí lắp đặt mà còn đảm bảo khả năng giám sát toàn bộ hệ thống điện.

2.1 Phương pháp quy hoạch tuyến tính

Phương pháp quy hoạch tuyến tính được sử dụng để giải quyết bài toán tối ưu số lượng PMU. Bằng cách xây dựng một mô hình toán học, tác giả đã xác định được các ràng buộc và mục tiêu tối ưu hóa. Mô hình này cho phép phân tích và đánh giá các vị trí lắp đặt PMU sao cho đảm bảo hiệu quả nhất. Việc áp dụng công cụ MATLAB trong tính toán giúp đơn giản hóa quá trình và tăng độ chính xác của kết quả. Các phương pháp tối ưu hóa này có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống điện khác nhau, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện và giảm thiểu rủi ro sự cố.

III. Ứng dụng và lợi ích của PMU trong hệ thống điện

Việc lắp đặt hệ thống đo lường PMU mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, bao gồm khả năng giám sát và điều khiển tốt hơn. PMU cung cấp thông tin thời gian thực về trạng thái của hệ thống điện, giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc điều hành hệ thống. Bên cạnh đó, PMU còn giúp cải thiện tính ổn định của hệ thống điện, giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố mất điện diện rộng. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ PMU có thể làm tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống điện và giảm thiểu chi phí vận hành.

3.1 Tác động của PMU đến hiệu suất hệ thống

PMU giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống điện thông qua việc cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời về trạng thái của hệ thống. Thông tin này cho phép các nhà điều hành phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và thực hiện các biện pháp phòng ngừa cần thiết. Hệ thống PMU còn hỗ trợ trong việc tối ưu hóa các hoạt động điều khiển, từ đó cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất. Việc áp dụng PMU cũng giúp hệ thống điện đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu của thị trường năng lượng, đặc biệt là trong bối cảnh gia tăng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo cung cấp năng lượng cho sản xuất và sinh hoạt trên toàn quốc. Ở Việt Nam, hệ thống truyền tải siêu cao áp 500kV Bắc – Trung – Nam với khoảng 37 thanh cái 500kV đã được xây dựng và vận hành, góp phần quan trọng trong việc kết nối và phân phối điện năng. Tuy nhiên, sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống điện, đặc biệt với sự gia tăng các nguồn năng lượng phân tán và phương tiện điện, đã làm cho việc giám sát và vận hành hệ thống trở nên khó khăn hơn. Các sự cố mất điện diện rộng vẫn xảy ra, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và xã hội.

Trong bối cảnh đó, thiết bị đo lường đồng bộ pha (PMU) được xem là công nghệ tiên tiến giúp nâng cao khả năng quan sát và điều khiển hệ thống điện trong thời gian thực. PMU cho phép đo đồng bộ các giá trị điện áp, dòng điện và góc pha với độ chính xác cao, giúp phát hiện sớm các điểm xung yếu và nguy cơ mất ổn định. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và hạ tầng truyền thông hạn chế khiến việc lắp đặt PMU trên toàn bộ hệ thống là không khả thi. Do vậy, việc tối ưu vị trí lắp đặt PMU nhằm giảm thiểu số lượng thiết bị trong khi vẫn đảm bảo khả năng quan sát toàn diện là một vấn đề cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và áp dụng mô hình quy hoạch tuyến tính số nguyên để tính toán tối ưu số lượng và vị trí lắp đặt PMU trên các hệ thống điện điển hình gồm hệ thống 7 nút, IEEE 14 nút và hệ thống điện 500kV Việt Nam. Nghiên cứu nhằm cung cấp giải pháp thực tiễn giúp nâng cao hiệu quả giám sát, vận hành hệ thống điện, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành thiết bị đo lường.

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:

• Thiết bị đo lường đồng bộ pha (PMU): PMU là thiết bị đo điện áp, dòng điện và góc pha đồng bộ thời gian nhờ tín hiệu GPS, cho phép thu thập dữ liệu với tốc độ cao và độ chính xác lớn. PMU giúp quan sát trạng thái động của hệ thống điện, hỗ trợ phát hiện dao động công suất, đánh giá ổn định tần số và điện áp.

• Luật quan sát PMU: Dựa trên định luật Ohm và Kirchhoff, các nút lân cận với nút lắp PMU có thể được quan sát gián tiếp thông qua các phép đo dòng điện và điện áp. Điều này cho phép giảm số lượng PMU cần thiết mà vẫn đảm bảo quan sát toàn diện hệ thống.

• Bài toán quy hoạch tuyến tính số nguyên (Integer Linear Programming - ILP): Đây là phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm số lượng PMU tối thiểu và vị trí lắp đặt sao cho toàn bộ hệ thống được quan sát. Hàm mục tiêu là tối thiểu hóa tổng số PMU, với các ràng buộc tuyến tính biểu diễn khả năng quan sát của từng nút.

• Phép đo thông thường (power flow, zero injection): Ngoài phép đo PMU, các phép đo dòng công suất và tiêm cũng được tích hợp vào mô hình để giảm số lượng PMU cần thiết.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sơ đồ kết nối hệ thống điện 7 nút, IEEE 14 nút và hệ thống điện 500kV Việt Nam năm 2020 với ước tính 37 thanh cái 500kV.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng ma trận kết nối thanh cái (TPMU), ma trận ràng buộc từ các phép đo thông thường và PMU. Thiết lập bài toán quy hoạch tuyến tính số nguyên với hàm mục tiêu tối thiểu hóa số lượng PMU.

• Công cụ tính toán: Sử dụng phần mềm MATLAB với hàm intlinprog trong hộp công cụ tối ưu hóa để giải bài toán ILP.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 02/2021 đến tháng 06/2021, bao gồm khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình, lập trình và tính toán trên các hệ thống mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hệ thống 7 nút:

   • Số lượng PMU tối thiểu cần lắp đặt là 2 bộ.
   • Vị trí lắp đặt tối ưu là tại thanh cái số 2 và 4.
   • Kết quả tính toán trên MATLAB cho thấy phương án này đảm bảo quan sát toàn bộ hệ thống với chi phí thiết bị thấp nhất.

2. Hệ thống IEEE 14 nút:

   • Trường hợp không có phép đo thông thường, cần 4 PMU tại các thanh cái số 2, 8, 10 và 13.
   • Khi có nút trung gian (zero injection bus) tại vị trí số 7, số lượng PMU giảm còn 3 bộ, đặt tại thanh cái số 2, 6 và 9.
   • Việc tích hợp phép đo thông thường giúp giảm 25% số lượng PMU cần thiết.

3. Hệ thống điện 500kV Việt Nam:

   • Với ước tính 37 thanh cái 500kV, số lượng PMU tối thiểu là 10 bộ.
   • Vị trí lắp đặt tối ưu bao gồm các thanh cái NĐ Mông Dương, Tây Hà Nội, Sơn La, Phố Nối, Hà Tĩnh, Pleiku, Pleiku 2, Sông Mây, Mỹ Tho và Ô Môn.
   • Thời gian tính toán nhanh chóng, phù hợp với quy mô lớn của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy bài toán quy hoạch tuyến tính số nguyên là công cụ hiệu quả để xác định số lượng và vị trí PMU tối ưu, giúp giảm thiểu chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo khả năng quan sát toàn diện hệ thống điện. Việc sử dụng phép đo thông thường như đo dòng công suất và tiêm giúp giảm số lượng PMU cần thiết, thể hiện qua trường hợp hệ thống IEEE 14 nút.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, số lượng PMU tối ưu và vị trí lắp đặt trong luận văn tương đồng hoặc cải tiến hơn, đặc biệt khi tích hợp các phép đo thông thường. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh số lượng PMU giữa các trường hợp và bảng tổng hợp vị trí lắp đặt.

Tuy nhiên, với hệ thống lớn như lưới điện 500kV Việt Nam, số lượng ràng buộc và biến số lớn dẫn đến khối lượng tính toán tăng cao, đòi hỏi tối ưu hóa thuật toán và nâng cấp hạ tầng tính toán để đảm bảo hiệu quả. Ngoài ra, việc triển khai thực tế còn phụ thuộc vào hạ tầng truyền thông và chi phí vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt PMU theo vị trí tối ưu:

   • Thực hiện lắp đặt 10 bộ PMU tại các vị trí đã xác định trong hệ thống điện 500kV Việt Nam.
   • Mục tiêu nâng cao khả năng quan sát và giám sát hệ thống điện trong vòng 1-2 năm tới.
   • Chủ thể thực hiện: Tổng công ty truyền tải điện quốc gia và các đơn vị vận hành lưới điện.

2. Tích hợp phép đo thông thường với PMU:

   • Kết hợp dữ liệu từ các phép đo dòng công suất và tiêm để giảm số lượng PMU cần thiết, tiết kiệm chi phí.
   • Thời gian thực hiện song song với quá trình lắp đặt PMU.

3. Nâng cấp hạ tầng truyền thông và xử lý dữ liệu:

   • Đầu tư hệ thống truyền thông tốc độ cao, ổn định để đảm bảo dữ liệu PMU được truyền tải và xử lý kịp thời.
   • Phát triển phần mềm phân tích dữ liệu thời gian thực, hỗ trợ cảnh báo và điều khiển tự động.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự:

   • Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành, phân tích dữ liệu PMU cho cán bộ kỹ thuật và vận hành.
   • Đảm bảo nhân lực đủ năng lực để khai thác hiệu quả hệ thống PMU.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện:

   • Hưởng lợi từ các giải pháp tối ưu vị trí PMU giúp nâng cao khả năng giám sát và điều khiển hệ thống điện.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:

   • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch đầu tư thiết bị đo lường, phát triển lưới điện thông minh.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:

   • Tham khảo phương pháp luận, mô hình toán học và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực đo lường và điều khiển hệ thống điện.

4. Các nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghệ điện:

   • Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và vị trí lắp đặt tối ưu để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. PMU là gì và tại sao cần tối ưu vị trí lắp đặt?
   PMU là thiết bị đo lường đồng bộ pha giúp giám sát trạng thái hệ thống điện chính xác và thời gian thực. Tối ưu vị trí lắp đặt giúp giảm số lượng thiết bị cần thiết, tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo quan sát toàn diện.

2. Phương pháp quy hoạch tuyến tính số nguyên được áp dụng như thế nào?
   Phương pháp này xây dựng hàm mục tiêu tối thiểu hóa số lượng PMU với các ràng buộc tuyến tính biểu diễn khả năng quan sát của từng nút. Bài toán được giải bằng công cụ MATLAB với hàm intlinprog.

3. Việc tích hợp phép đo thông thường ảnh hưởng thế nào đến số lượng PMU?
   Phép đo dòng công suất và tiêm giúp giảm số lượng PMU cần thiết do một số nút có thể được quan sát gián tiếp, từ đó giảm chi phí đầu tư.

4. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho hệ thống điện lớn như thế nào?
   Nghiên cứu đã áp dụng thành công cho hệ thống 500kV Việt Nam với 37 thanh cái, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong quy mô lớn.

5. Những thách thức khi triển khai hệ thống PMU tối ưu là gì?
   Bao gồm chi phí đầu tư ban đầu, hạ tầng truyền thông chưa đồng bộ, khối lượng tính toán lớn và yêu cầu đào tạo nhân lực vận hành chuyên sâu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình quy hoạch tuyến tính số nguyên để tối ưu số lượng và vị trí lắp đặt PMU trên các hệ thống điện mẫu và hệ thống điện 500kV Việt Nam.
• Kết quả tính toán cho thấy số lượng PMU tối thiểu lần lượt là 2 bộ cho hệ thống 7 nút, 3-4 bộ cho hệ thống IEEE 14 nút và 10 bộ cho hệ thống 500kV Việt Nam.
• Việc tích hợp phép đo thông thường giúp giảm số lượng PMU cần thiết, tiết kiệm chi phí đầu tư.
• Phương pháp sử dụng công cụ MATLAB với hàm intlinprog cho thời gian tính toán nhanh, phù hợp với quy mô hệ thống lớn.
• Đề xuất triển khai lắp đặt PMU theo vị trí tối ưu, nâng cấp hạ tầng truyền thông và đào tạo nhân lực để khai thác hiệu quả hệ thống đo lường đồng bộ pha.

Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch đầu tư và triển khai hệ thống PMU tối ưu, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: SỰ CẦN THIẾT TRANG BỊ HỆ THỐNG PMU 1.1 Hệ thống điện Việt Nam Cùng với sự phát triển của nguồn điện nhằm đáp ứng tốc độ tăng trưởng phụ tải cao, hệ thống điện truyền tải xương sống 500kV liên kết các miền đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp, trao đổi điện năng an toàn và kinh tế. Đến nay Việt Nam đã hình thành hệ thống truyền tải siêu cao áp 500kV Bắc – Trung – Nam với 2 mạch 500kV từ Sơn La tới Pleiku và 4 mạch 500kV (bao gồm 2 mạch đơn và một mạch kép) từ Pleiku tới Chơn Thành, Tân Định. Mạch 3 đường dây 500kV Bắc – Trung – Nam đang được xây dựng dự kiến đưa vào vận hành cuối năm 2021. Với xu hướng truyền tải ngày càng lớn về công suất lẫn sản lượng, việc vận hành hệ thống điện 500kV trở nên phức tạp.

Thực tế quá trình vận hành hệ thống điện ở Việt Nam cho thấy, mặc dù chế độ vận hành hệ thống được tính toán và phân tích kỹ lưỡng trong quá trình lập quy hoạch, lập báo cáo, thiết kế, lên kế hoạch và xây dựng cho phương thức vận hành hệ thống, các sự cố vẫn xảy ra và gây nên những thiệt hại lớn. Trong những năm gần đây, các sự cố diện rộng quy mô lớn ở Việt Nam có thể kể đến [1]: - Ngày 26/04/2013 sự cố nhảy 2 mạch đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà nẵng mất 1000MW, gây mất liên kết hệ thống Bắc – Nam; - Ngày 22/05/2013, sự cố đường dây Di Linh – Tân Định đã dẫn mất điện diện rộng trong toàn bộ các tỉnh phía Nam; Cho đến nay, cơ chế của các sự cố diện rộng đã được hiểu biết tương đối rõ ràng. Về cơ bản, sự cố diện rộng được xuất phát từ tình trạng làm việc nặng tải của hệ thống, kèm theo sự cố mất đi một hoặc một số phần từ quan trọng dẫn đến mất ổn định các thông số vận hành. Kéo theo đó, các rơ le bảo vệ tác động hàng loạt, dẫn đến mất điện trên diện rộng hoặc rã lưới.

Mặc dù cơ chế của các sự cố đã được hiểu rõ, việc ngăn ngừa chúng đang trở thành bài toán rất phức tạp. Hiện nay một số giải pháp để phòng và tránh sự cố mất điện diện rộng đã được thiết kế và vận hành trong lưới điện Quốc gia như sau [1]: Trang 4 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải - Hệ thống sa thải theo tần số thấp (F81); - Hệ thống sa thải phụ tải đặc biệt bổ sung; - Các mạch sa thải nguồn, hiệu chỉnh sa thải tổ máy miền Bắc; - Các mạch sa thải đặc biệt khi sự cố 1 phần tử đường dây/máy biến áp quan trọng; - Các mạch sa thải phụ tải theo điện tại Phú Lâm, Tân Định và một số trạm 220kV miền Nam. Các mạch sa thải trên đóng vai trò quan trọng trong công tác vận hành hệ thống điện, phòng chống mất điện diện rộng.2 Sự cần thiết của việc trang bị hệ thống đo lường đồng bộ pha: Thực tế cho thấy, để có thể kịp thời đưa ra các phương án phù hợp nhằm ngăn chặn các sự cố mất điện diện rộng, nhân viên vận hành cần được trang bị các công cụ đủ mạnh để phân tích, đưa ra được các cảnh báo nhanh chóng, chính xác về tình trạng vận hành của hệ thống điện trong thời gian thực. Hơn nữa, hệ thống cần được trang bị các cấp bảo vệ để có thể thực hiện một loạt các hành động tự động trước khi hệ thống bị tan rã.

Như đã trình bày ở trên, các sự cố diện rộng có thể xảy ra khi hệ thống vận hành ở chế độ biên, xuất phát từ một hoặc một vài phần tử bị tách ra khỏi vận hành và gây phản ứng dây chuyền dẫn đến việc hàng loạt các phần tử bị tách ra khỏi vận hành. Trong khi đó, nhược điểm lớn của các hệ thống điều khiển và giám sát truyền thống là không cung cấp được các thông số mang tính động của hệ thống. Hơn nữa sự cố gây nên mất điện diện rộng có thể xuất hiện và diễn biến trong thời gian ngắn, mà nhân viên vận hành không thể kịp đưa ra các phân tích hay tính toán nhằm đưa ra được các quyết định hợp lý. Các mạch sa thải và liên động hiện hữu lúc này sẽ tác động đúng nằm phòng tránh cho sự cố lan rộng.

Tuy nhiên, các mạch này thiết kế cho những trường hợp cụ thể và có thể sẽ không đạt hiệu quả mong muốn khi cấu hình của hệ thống thay đổi. Hiện trạng và thực tế nêu trên đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết cần tăng cường khả năng quan sát và đánh giá nhanh trạng thái làm việc của hệ thống điện trong thời gian Trang 5 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải thực, từ đó đưa ra các cảnh báo, hoặc các quyết định điều khiển phù hợp nhằm giải trừ nguy cơ xảy ra các sự cố diện rộng. Để thực hiện được yêu cầu trên, cần có hệ thống đo lường giám sát hệ thống điện diện rộng, kết hợp các công cụ tính toán phù hợp để đánh giá trạng thái làm việc của hệ thống điện trong thời gian thực. Một trong những giải pháp đưa ra để giải quyết được những hạn chế trên đó là công nghệ đo lường đồng bộ góc pha đang rất phát triển, đem lại những bước tiến mới trong việc giám sát và đánh giá trạng thái của hệ thống.

Hơn nữa, việc trang bị thiết bị PMU trong hệ thống điện là phù hợp với định hướng phát triển Lưới điện Thông minh tại Việt Nam theo Quyết định 1670/QĐ-TTg ngày 08/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ về việc đề án phát triển Lưới điện thông minh tại Việt Nam [2]. Trang 6 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PMU 2.1 Định nghĩa Theo định nghĩa của IEEE thì thiết đo góc pha – Phasor Measurement Unit (PMU) là thiết bị có khả năng đồng bộ góc pha, tần số và tốc độ thay đổi của tần số thông qua việc đo các tín hiệu điện áp và/hoặc dòng điện và tín hiệu đồng bộ thời gian. Thiết bị PMU có thể thực hiện các chức năng khác và được đặt tên theo các chức năng này.2 Cấu tạo cơ bản của bộ PMU Một thiết bị PMU đảm bảo chức năng chính là đo lường, đồng bộ và truyền dữ liệu. Theo đó mỗi thiết bị PMU sẽ gồm 3 chính như sau [3]: - Module thu tín hiệu GPS: - Module thu thập dữ liệu - Module truyền thông Hình 2.1 Sơ đồ khối cơ bản của Bộ PMU Module thu tín hiệu GPS cho phép đồng bộ tín hiệu với vệ tinh GPS.

Tín hiệu này được dùng để hiệu chỉnh với thiết bị đồng bộ tạo xung tại hiện trường, đảm bảo tính Trang 7 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải chính xác cho thiết bị thời gian thực. Module cung cấp tính hiệu định thời cho module thu thập dữ liệu, qua đó đảm bảo việc lấy mẫu tín hiệu cường độ dòng điện và điện áp chính xác theo thời gian thực. Module thu thập dữ liệu có chức năng lấy mẫu các thông số dòng điện, xử lý, tính toán, đưa ra các giá trị tần số, cường độ, điện áp, công suất, dòng điện, ., đồng bộ thời gian cho các dữ liệu đó. Module thu thập dữ liệu đóng vai trò quan trọng đối với thiết bị PMU, cấu tạo chung bao gồm: các mạch hạ áp và mạch lọc chống nhiễu, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số và bộ xử lý tính toán số học chuyên dụng.

Module truyền thông đảm nhiệm giao tiếp người và máy, tiếp nhận các dữ liệu thu được, lưu lại các sự kiện xảy ra trên hệ thống, truyền đi các số liệu đã được gán giá trị định thời tới các hệ thống thu thập dữ liệu và điểu khiển giám sát, đồng thời nhận các lệnh điều khiển từ trung tâm để tương tác với hệ thống điện.3 Sơ đồ đấu nối cơ bản của thiết bị PMU Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối của bản của thiết bị PMU tại một trạm biến áp [4] Tín hiệu đo lường cấp cho PMU là dòng điện, điện áp tại các điểm nút quan trọng trong hệ thống (các nhà máy điện, các trạm biến áp quan trọng). Sơ đồ đấu nối cơ bản Trang 8 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải của thiết bị PMU được thể hiện theo như hình trên. Đầu vào là các tính hiệu gửi đến từ các biến dòng điện và biến điện áp đặt tại các ngăn lộ trạm.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của PMU [5] Thiết bị PMU sử dụng thời gian chuẩn dựa trên đồng hồ vệ tinh, qua đó cho phép các tín hiệu tại các vị trí khác nhau trong hệ thống được đo trong cùng một mốc thời gian. Với độ chính xác cao, qua đó cho phép so sánh được góc pha giữa các điểm khác nhau trong hệ thống điện (hình minh họa trên).

Việc xác định được góc pha tương đối giữa các nút trong hệ thống mang lại rất nhiều ứng dụng mới cho phân tích hệ thống trong thời gian thực. Độ chênh lệch góc pha giữa các nút đặc trưng cho trào lưu công suất truyền tải giữa chúng và là một thông tin quan trọng cho phép đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện.4 So sánh giữa SCADA truyền thống khi có trang bị và không được trang bị PMU Thiết bị PMU rất phù hợp để theo dõi các trạng thái của hệ thống điện trong thời gian thực. PMU có sự tiến bộ đáng kể so với hệ thống SCADA/EMS, trong khi hệ Trang 9 HVTH: Dương Thị Lệ Huyền LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải thống SCADA/EMS là hệ thống có tốc độ cập nhật từ vài giây đến vài phút, chỉ đo các giá trị RMS chứ không đo các giá trị góc pha thì PMU thường có tốc độ cập nhật cao, mỗi giá trị đo được dán nhãn thời gian và được đồng bộ hóa với độ chính xác cao thông qua hệ thống GPS và có thể đo được các giá trị pha (biên độ và góc pha) của dòng điện và điện áp. Bằng cách sử dụng phép đồng bộ hóa về thời gian từ vệ tinh GPS và mạng lưới truyền thông tốc độ cao, PMU cho phép phối hợp dòng dữ liệu thu được từ các điểm trên lưới qua hệ thống thu thập dữ liệu tại trung tâm điều khiển.

Các thông tin này có thể được hiển thị cho đơn vị vận hành và có nhiều ứng dụng trên diện rộng.