MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành công nghiệp đang phát triển đã tạo sức ép lên ngành công nghiệp năng lượng phải cung cấp đủ công suất điện. Khả năng phát điện sẽ tăng theo tỷ lệ gia tăng số lượng phụ tải. Việc truyền tải công suất lớn thông qua lưới điện dẫn đến điều kiện vận hành của các đường dây truyền tải gần với giới hạn làm việc.
Ngoài ra, nguồn dự trữ phát điện rất nhỏ và thường là công suất phản kháng, nhưng cũng không đủ để đáp ứng nhu cầu phụ tải. Vì những lý do này, các hệ thống điện trở nên dễ bị nhiễu loạn và mất điện gây thiệt hại nặng nề. Khi tiếp xúc với tình huốn nghiêm trọng, hệ thống dễ bị mất an ninh động, có thể dẫn đến các hậu quả thảm khốc như cúp điện và / hoặc mất điện trên diện rộng [1][2]. Tính cấp thiết đã trở nên hiện hữu khi những năm gần đây, các sự cố mất điện đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền kinh tế ở nhiều quốc gia trên thế giới điển hình như: Ấn Độ vào ngày 30 tháng 7 năm 2012 [3] và ở Mỹ là ngày 24 tháng 08 năm 2003 [1].
Một sự cố mất điện tại miền Bắc Ấn Độ đã ảnh hưởng đến 14 bang, sự cố kéo dài trong 2 ngày khiến cho hơn 600 triệu người dân bị ảnh hưởng [3]. Với sự cố mất điện trên diện rộng ở Mỹ ước tính thiệt hại lên đến 6 tỷ USD. Đáng chú ý, sự cố lại bắt nguồn từ một cây mọc quá cao chạm vào đường dây điện cao thế. Gần tương tự như sự cố mất điện ở Mỹ [1], ở Việt Nam một xe cẩu chở cây dầu ( dài 10 m) đã vướng vào đường dây truyền tải 500kV trên tuyến Di Linh – Tân Định vào lúc 14 giờ 15’ ngày 22 tháng 05 năm 2013.
Sự cố này đã gây mất điện đồng loạt các tỉnh miền Nam. Ước tính có đến 8 triệu khách hàng bị ảnh hưởng bởi sự cố [4][5]. Trước hậu quả nghiêm trọng do sự cố gây ra, để giảm thiệt hại và tăng sự an toàn cho HTĐ thì cần có một hệ thống đánh giá nhanh hệ thống điện nhằm đưa ra cảnh báo sớm để có những hành động phòng ngừa kịp thời. 1 Luan van Trong Những năm gần đây, Do khả năng học nhanh quan hệ phi tuyến vào ra của các điều kiện vận hành hệ thống điện để mô phỏng hoạt động động của hệ thống, nên mạng nơron ANN (Artificial Neural Network) là phương pháp tiếp cận đánh giá ổn định hệ thống điện được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Qua nghiên cứu tài liệu, đề tài đã đi tìm hiểu, tham khảo những công trình của nhiều nhà nghiên cứu trong nước có liên quan đến ứng dụng mạng nơron đánh giá ổn định hệ thống điện [6][7][8]. Kết quả cho thấy, các tác giả tập trung nghiên cứu kỹ thuật xử lý mẫu cho bài toán đánh giá ổn định động dựa vào biến đặc trưng sự cố [9]. Tuy nhiên an ninh hệ thống điện có thể được chẩn đoán sớm trước khi sự cố xảy ra dựa trên các biến đặc trưng của trạng thánh xác lập hệ thống điện [9]. Khi đó, một điều khiển phòng ngừa sẽ giúp bảo vệ hệ thống điện trước những yếu tố bất ngờ.
Vì vậy, nếu cùng lúc kết hợp quá trình chẩn đoán an ninh và đánh giá ổn định hệ thống điện thì hệ thống điện sẽ được bảo vệ tốt hơn trước những yếu tố nguy hiểm. Từ đó, luận văn này đề xuất hai phương án nhận dạng hệ thống điện là chẩn đoán an ninh hệ thống điện, đánh giá ổn định hệ thống điện, kèm theo đó là một chiến lược điều khiển ngăn chăn dựa trên kết quả chẩn đoán an ninh động. Mục tiêu của luận văn: Xây dựng hai mô hình nhận dạng: chẩn đoán an ninh động và mô hình nhận dạng ổn định động hệ thống điện. Thông qua quá trình chẩn đoán an ninh động đề xuất một chiến lược điều khiển phòng ngừa nhằm tìm điểm làm việc ổn định khi hệ thống rơi vào điểm làm việc mất ổn định.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu: 1. Nội dung nghiên cứu: Tìm hiểu về lý thuyết ổn định hệ thống điện. Nghiên cứu quy trình xây dựng mô hình chẩn đoán an ninh động và nhận dạng ổn định động hệ thống điện dựa trên cơ sở mạng nơron. Nghiên cứu mô hình điều khiển phòng ngừa cho hệ thống điện 1.
Phương pháp nghiên cứu: 2 Luan van Nghiên cứu tài liệu: Tham khảo các bài báo, các sách về chẩn đoán ổn định hệ thống điện trong nước và nước ngoài. Mô hình hóa và mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Matlab để xây dựng mô hình và mô phỏng việc nhận dạng ổn định và điểu khiển sa thải phụ tải Mạng nơ ron: Tra cứu, tìm hiểu về mạng nơron nhân tạo ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển hệ thống Phân tích, tổng hợp: Phân tích, đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng 1. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện, lý thuyết mạng nơron - Nghiên cứu phương pháp xử lý mẫu, chọn biến. - Nghiên cứu xây dựng mô hình chẩn đoán an ninh động, nhận dạng ổn định động và điều khiển hệ thống điện dựa trên cơ sở mạng nơron.
- Nghiên cứu mô hình đề xuất điều khiển phòng ngừa. 3 Luan van Chương 2 TỔNG QUAN 2. Chế độ của hệ thống điện 2.1 Các chế độ làm việc Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập: là chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi hoặc thay đổi trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức, là chế độ bình thường và lâu dài của hệ thống điện, còn được gọi là chế độ xác lập bình thường.
Chế độ sau sự cố hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà còn được gọi là chế độ xác lập sau sự cố. Chế độ quá độ: là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Các trạng thái quá độ được định nghĩa là tình trạng hoạt động của một hệ thống điện được đặc trưng bởi sự thay đổi đột ngột về tải hoặc trong điều kiện ngắn mạch. Các rối loạn có thể bao gồm sự cố, chuyển đổi các sự kiện, cũng như những thay đổi đột ngột và đáng kể trong tải.
Cả hai hệ thống điện và các hệ thống máy phát đang ở trong một trạng thái quá độ đặc trưng bởi sự thay đổi trong năng lượng điện, điện áp, vv cũng như các biến đổi trong tốc độ rotor của máy phát. Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định phụ thuộc mức độ của các kích động. Tính ổn định hệ thống trong trường hợp này gọi là ổn định động (Dynamic Stability), hay còn gọi là ổn định quá độ (Transient Stability).2 Định nghĩa ổn định hệ thống điện Ổn định HTĐ là khả năng của hệ thống lặp lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ mất đồng bộ do các kích động nhỏ hoặc lớn gây ra. Ổn định hệ thống điện đề cập đến khả năng của các máy phát điện dịch chuyển từ một trạng thái vận hành 4 Luan van xác lập đến trạng thái vận hành xác lập khác sau khi bị kích động mà không mất đồng bộ, có hai loại ổn định hệ thống điện : ổn định tĩnh và ổn định động.
Ổn định tĩnh Ổn định tỉnh là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ [10]. Các kích động nhỏ thường xuyên xảy ra và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của các thiết bị điều chỉnh.Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hủy sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động. Chế độ xác lập được giữ nguyên nếu chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được duy trì hay là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau những kích động nhỏ, trong trường hợp này ta nói hệ thống có tính ổn định tĩnh. Để có khái niệm rõ hơn về tính chất ổn định tĩnh, xét trạng thái cân bằng công suất của một máy phát trong 1 HTĐ đơn giản như Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản Chế độ của HTĐ sẽ tồn tại khi công suất cơ Pm của Tuabin cân bằng với công suất điện Pe.
UE Pm =P0 = sinδ=Pmax sinδ (2.1) XH XD Với XH =XF +XB1 +XB2 + (2.2) 2 Trong đó: XH: điện kháng tổng tương đương của hệ thống XF: là điện kháng tương đương của máy phát XB1, B2: là điện kháng tương đương của máy biến áp XD: là điện kháng tương đương của một đường dây đơn 5 Luan van Điều kiện (2.1) được biểu diễn tương ứng trên Hình 2. P m được giả thiết là hằng số không phụ thuộc vào góc, ứng với mỗi giá trị của Pm có hai điểm cân bằng công suất a và b ứng với hai giá trị của góc δ khác nhau. P Pmax = P gh dP=dδ P0 = Pm a b Miền Miền ổn định không ổn định 0 0 δ1 δ gh= 90 δ2 δ Hình 2.2: Đặc tính công suất của máy phát và đặc tính công suất cơ của Tuabin Hình 2.2 tồn tại 2 điểm cân bằng a và b tương ứng với các góc lệch δ1 và δ2 Trong đó: P P 1 arcsin m (2.4) Pe Pe Pm: là công suất cơ của máy phát Pe: là công suất điện từ của máy phát Theo khảo sát được trình bày [10] rút ra điều kiện ổn định tỉnh của HTĐ là: dP 0 (2.5) d dP Khi 0 ta có chế độ giới hạn ổn định tỉnh, với điều kiện này ta tìm được d công suất giới hạn Pgh và góc giới hạn δgh theo ổn định tỉnh. Trong trường hợp đơn giản: UE Pm =P0 = sinδ=Pmax sinδ (2.6) XH 6 Luan van P Pmax cos 0 gh 900 , Pgh Pmax (2.7) Theo điều kiện (2.5), ta thấy các điểm nằm ở nữa tăng lên của đường đặc tính công suất, với góc δ < 900 thì chế độ ổn định tỉnh, còn các điểm bên phải góc giới hạn δ > 900 thì chế độ sẽ không ổn định.
Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập.