Nghiên cứu về bảo vệ diện rộng - Đỗ Đức Tôn

Chia sẻ: Huynh Thi Thuy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

76
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các sự cố diện rộng trong hệ thống điện là một bài toán khó cho các công ty điện lực bởi vì mức độ rộng lớn và độ phức tạp của hệ thống điện. Khi một sự cố lớn trong hệ thống điện xuất hiện, các tác động điều khiển cần phải ngăn chặn sự lan tràn, đưa hệ thống trở lại trạng thái bình thường và giảm thiểu các hậu quả của sự cố. Tham khảo nội dung bài viết "Nghiên cứu về bảo vệ diện rộng" để hiểu hơn về những nội dung trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu về bảo vệ diện rộng - Đỗ Đức Tôn

NGHIÊN CỨU VỀ BẢO VỆ DIỆN RỘNG ĐỖ ĐỨC TÔN Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Các sự cố diện rộng trong hệ thống điện là một bài toán khó cho các công ty điện lực bới vì mức độ rộng lớn và độ phức tạp của hệ thống điện. Khi một sự cố lớn trong hệ thống điện xuất hiện, các tác động điều khiển cần phải ngăn chặn sự lan tràn, đưa hệ thống trở lại trạng thái bình thường và giảm thiểu các hậu quả của sự cố. Tuy nhiên, các hệ thống bảo vệ tại chỗ không thể bao quát toàn hệ thống, mà sự cố lại có thể ảnh hưởng đến toàn hệ thống. Bài báo này để cập đến các sự cố diện rộng và hệ thống bảo vệ diện rộng (WAPS). RESEARCH ON WIDE AREA PROTECTION Abstract: System-wide disturbances in power systems are a challenging problem for the utility industry because of the large scale and the complexity of the power system. When a major power system disturbance occurs, protection and control actions are required to stop the power system degradation, restore the system to a normal state, and minimize the impact of the disturbance. However, local protection systems are not able to consider the overall system, which may be affected by the disturbance. This paper refers to wide area disturbances and wide area protection system (WAPS). I. GIỚI THIỆU Có hai nguyên nhân chính gây ra tan ra hệ thống là sụp đổ điện áp và mất ổn định góc rotor. Các sự kiện này có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời. Trong hầu hết các trường hợp, sư tan rã hệ thống bắt đầu khi sự mất ổn định điện áp tiến triển thành mất ổn định góc do thất bại trong việc đưa ra các hành động đúng để đưa hệ thống từ trạng thái khẩn cấp về trạng thái cảnh báo hoặc bình thường. Trên thế giới đã xuất hiện nhiều sự cố diện rộng, trong đó có nhiều sự cố trở nên nổi tiếng. Từ việc nghiên cứu các sự cố ấy, người ra nhận ra những tác động không phù hợp của hệ thống bảo vệ mà nguyên nhân sâu xa là không được phối hợp đúng mức. Hệ thống bảo vệ diện rộng khắc phục được nhược điểm này. Ở hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam, các sự cố lan rộng trên lưới 500 kV xảy ra với tần suất lớn. Từ khi đưa hệ thống truyền tải 500 kV vào vận hành (1994) đến hết năm 2008 đã xảy ra tổng cộng 515 sự cố [1]! Nó cho thấy nhiều điều trong đó một phần nguyên nhân là do sự phối hợp yếu kém của hệ thống bảo vệ. Dưới đây ta sẽ xem xét một sự cố cụ thể ở Việt Nam để thấy rõ điều này. I.1 Sự cố ngày 27 tháng 12 năm 2006 trên HTĐ 500 kV và HTĐ miền Bắc [2] Thời tiết khu vực khi xảy ra sự cố: bình thường. Trước khi sự cố, HTĐ 500 kV vận hành bình thường đủ cả 2 mạch. Máy biến áp AT1 Đà Nẵng, máy cắt 572 Pleiku đang tách sửa chữa. Tại trạm 500 kV Pleiku: 14:14 ngày 27/12 bị sự cố 1 hệ thống nguồn một chiều, chỉ còn một hệ thống đang làm việc. Các nhà máy trong HTĐ miền Bắc: đang chạy như bảng 1: Bảng 1 Các nguồn điện ở miền Bắc trước khi xảy ra sự cố Hoà Bình 240 MW Phả Lại 1 400 MW Thác Bà 0 MW Phả Lại 2 580 MW Vĩnh Sơn 0 MW Uông Bí 50 MW Sông Hinh 0 MW Ninh Bình 100 MW Ialy 600 MW Cao Ngạn 45 MW Sê San 3 130 MW Đoạn đường dây (ĐD) 500 kV Phú Lâm - Pleiku và Tân Định - Pleiku đang tải từ Phú Lâm, Tân Định tới Pleiku ~700 MW. Đoạn ĐD 500 kV Đà Nẵng - Pleiku mạch 1 và mạch 2 đang tải từ Pleiku tới Đà Nẵng ~1300 MW. Đoạn ĐD 500 kV đoạn Hà Tĩnh - Đà Nẵng đang tải từ Đà Nẵng tới Hà Tĩnh ~1000 MW. Tổng công suất sử dụng HTĐ Miền Bắc trước sự cố là 2600 MW. Hình 1 Lưới điện 500 kV của Việt Nam hiện nay Diễn biến sự cố: Lúc 14:43:00 tại trạm 500 kV Pleiku: Do xuất hiện tín hiệu intertrip qua kênh PLC dẫn đến cắt máy cắt 561 và 571 Pleiku. Bảo vệ F50 BF của máy cắt 571 Pleiku tác động (do máy cắt 571 mất nguồn thao tác 1 chiều) cắt các máy cắt nối vào thanh góp 51 (máy cắt 563, 565, 573, 575), thanh góp C51 Pleiku mất điện. Lúc 14:43:23 tại trạm 500 kV Đà Nẵng: Nhảy máy cắt 571, 572 (intertrip từ Pleiku). Lúc 14:43:33 cũng tại trạm này: Nhảy máy cắt 573, 574, 575 do bảo vệ dao động công suất tác động gây mất liên kết trên HTĐ 500 kV. Do bị sự cố trên HTĐ 500 kV, tần số HTĐ miền Bắc giảm thấp (46,65 Hz). Trong HTĐ miền Bắc: Ninh Bình tách lưới giữ tự dùng M1-L1. Các tổ máy bị ngừng sự cố: Phả Lại 1 (4M-8L), Uông Bí (M6-L6,7), Phả Lại 2 (M5,6), M1 Na Dương, M2 Cao Ngạn. Tần số HTĐ Miền Nam tăng cao (51,25 Hz), tất cả các tổ máy đều đáp ứng giảm công suất. Các nhà máy điện miền Nam vận hành bình thường, chỉ có M2 Sê San 3, ST3, ST6 Phú Mỹ 21 bị ngừng sự cố. Mạch tách đảo của HTĐ miền Bắc làm việc và duy trì được trong 15 giây do chỉ có M3 (Hòa Bình) đang phát đầy tải (M4 đang ngừng) và tải của đảo lớn hơn công suất M3 nên M3 tách lưới và đảo mất điện. Hậu quả của sự cố: Từ 14:43, HTĐ Miền Bắc Bị tan rã. Tổng công suất mất của HTĐ miền Bắc và một phần tải HTĐ Miền Trung khoảng 2600 MW. Đến 18h50 toàn bộ lưới mới trở lại làm việc bình thường. I.2 Phân tích và nhận xét Với hai tác nhân chính là mạch cắt liên động qua kênh PLC của đường dây 571 Pleiku – 572 Đà Nẵng và bảo vệ chống dao động công suất tại trạm 500 kV Đà Nẵng tác động trùng hợp đúng lúc máy cắt 571 mất nguồn một chiều mà đã dẫn đến tan rã hệ thống điện miền Bắc. Điều đó chứng tỏ hệ thống bảo vệ đã không thể phối hợp tốt với nhau hay nói cách khác thiếu thông tin cần thiết. Nếu có đủ thông tin, vì một nguyên nhân nào đó mà mạch cắt liên động qua kênh PLC của đường dây 571 Pleiku – 572 Đà Nẵng tác động, mà máy cắt 571 Pleiku đang mất nguồn một chiều thì phải có tín hiệu cấm bảo vệ chống dao động công suất tác động (ở đây chỉ phân tích về mặt phối hợp giữa các bảo vệ mà chưa nói đến việc các bảo vệ có làm việc đúng hay không). Và trước khi mạch cắt liên động qua kênh PLC của đường dây 571 Pleiku – 572 Đà Nẵng tác động thì phải có các biện pháp làm giảm các tải ở phía Bắc để không xảy ra tình trạng thiếu nguồn sau khi đường dây trên bị cắt. Một hệ thống bảo vệ diện rộng với tính năng chính là thu thập thông tin diện rộng đồng bộ hóa bằng GPS, từ đó xử lí thông tin và đưa và các tác động phù hợp kịp thời thì phạm vi sự cố sẽ được giảm thiểu. II CÁC ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG Ở VIỆT NAM [3, 4] Hệ thống giám sát diện rộng (Wide Area Monitoring System, WAMS) là bước thực hiện đầu tiên trong quá trình xây dựng hệ thống bảo vệ diện rộng. Các công ty điện lực sẽ đạt được những lợi ích sau khi áp dụng công nghệ giám sát diện rộng:  Giám sát on-line độ an toàn hoặc các giới hạn ổn định và năng lực của hệ thống từ đó cải thiện được năng lực truyền tải.  Hoàn thiện hệ thống (bằng các kế hoạch đầu tư) dựa trên các phản hồi có được khi phân tích chế độ động hệ thống.  Có được các cách phối hợp hoạt động hợp lí nhằm duy trì ổn định khi có nhiễu động trong lưới.  Kích hoạt các chức năng bổ xung của của hệ thống giám sát diện rộng.  Am hiểu sâu sắc hơn về các hành vi trong chế độ động của hệ thống.  Có được một hệ thống cảnh báo sớm II.1 Mục tiêu và các ứng dụng của giám sát diện rộng Đo đạc vec tơ pha ngày càng trở thành công nghệ thu thập dữ liệu nền tảng, được dùng trong việc giám sát diện rộng. Các bộ đo vec tơ pha (Phasor Measurement Unit, PMU) được lắp đặt trong các hệ thống giám sát diện rộng chính là các trung tâm thu thập dữ liệu, chính vì thế các công ty có thể có các thông tin về vec tơ pha ở bất cứ đâu họ cần. Giám sát hành vi động của hệ thống – đánh giá ổn định Hiện tại các hệ thống điện thường được vận hành dựa trên thông tin tĩnh hoặc gần động được tách ra từ các đo đạc giá trị hiệu dụng. Đo đạc vec tơ pha ở các nút giúp cho nhân viên vận hành hệ thống có các thông tin động về hệ thống và từ đó kích hoạt các biện pháp cần thiết kịp thời. Việc này được hỗ trợ bởi các thuật toán đánh giá ổn định, được thiết kế để tận dụng được tính ưu việt của các thông tin đo vec tơ pha. Do đó mà tăng hiệu quả vận hành và duy trì ổn định hệ thống. Giám sát các hành lang truyền tải – Quản lí tắc nghẽn Các liên kết (hành lang truyền tải) giữa các hệ thống điện chủ yếu được dùng để phục vụ cho các hoạt động thương mại và phân phối năng lượng, đóng góp đáng kể vào giá thành điện năng trong thị trường tự do hóa. Dung lượng truyền tải của các hành lang này thường bị ràng buộc bởi yếu tố ổn định mà nguồn gốc là do sự bất định về trạng thái hệ thống. Cách làm truyền thống là xây dựng thêm các đường dây để tăng cường năng lực truyền tải. Cách làm này rất hiệu quả nhưng lại rất tốn kém. Có một phương án khác là giảm tính bất định bằng cách sử dụng giám sát diện rộng, do đó giảm được các nguy cơ trong vận hành. Giải pháp này rất kinh tế vì đầu tư cho việc thu thập dữ liệu của WAMS rẻ hơn nhiều. Vì thế, WAMS được xem như một công cụ có vai trò quan trọng trong việc quản lí tắc nghẽn. Phân tích các nhiễu động và lập qui hoạch mở rộng hệ thống Chức năng lưu trữ dữ liệu liên tục của WAMS cung cấp cho ta một nguồn thông tin rất giá trị để phân tích sau sự cố. Từ đó chúng ta có thể tìm ra nguyên nhân thực sự của các sự cố. Những thông tin này là cơ sở vững chắc để qui hoạch mở rộng hệ thống và cần thiết cho việc tăng cường độ bền vững của hệ thống. II.2 Khái quát về nền tảng hệ thống Đo đạc vec tơ pha là công nghệ nền tảng Hệ thống giám sát diện rộng chủ yếu dựa trên một công nghệ thu thập dữ liệu mới. Trong các hệ thống điều khiển truyền thống, các RTU (Remote Terminal Unit) được dùng để thu thập các giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp. Còn trong hệ thống giám sát diện rộng, các PMU sẽ đo đạc các dòng điện, điện áp và tần số được đồng bộ hóa bởi GPS tại các vị trí được lựa chọn trong hệ thống. Các đại lượng đo được gồm có cá độ lớn và góc pha và được đồng bộ theo thời gian thông qua các bộ thu GPS với độ chính xác cỡ 1 micro giây. Hiện tại thì các nút tới hạn trên lưới truyền tải chỉ được giám sát bằng các dữ liệu tĩnh hoặc gần động dựa trên các phép đo giá trị hiệu dụng. Khi lắp đặt các PMU tại đây ta sẽ có được các ảnh chụp tức thời (snapshots) về trạng thái của nút được theo dõi. Bằng cách so sánh các ảnh chụp này với nhau, ta theo dõi được không những trạng thái xác lập mà còn cả trạng thái động của các nút tới hạn trong lưới truyền tải và dưới truyền tải. Kiến trúc nền của hệ thống giám sát diện rộng Kiến trúc nền để giám sát và bảo vệ diện rộng bao gồm những phần cứng sau:  Các bộ đo vec tơ pha (PMU)  Các đường liên kết truyền thông Trung tâm giám sát hệ thống (System Monitoring Center, SMC) gồm có các dữ liệu vec tơ pha và các ứng dụng được biến đổi cho phù hợp. Các PMU được đặt ở các trạm biến áp để có thể theo dõi hệ thống điện dưới bất kì điều kiện vận hành nào (tách đảo lưới, cắt các đường dây, máy phát,…). Các PMU và các kênh truyền có một mức dự trữ nhất định để đảm bảo việc thông tin an toàn trong trường hợp hỏng PMU hoặc kênh truyền. Các dữ liệu đo được được truyền tới một trung tâm giám sát hệ thống (SMC) thông qua các kênh/đường truyền dùng riêng. SMC là một thiết bị tính toán trung tâm, ở đó các đo đạc được tập hợp, đồng bộ hóa và sắp xếp (xử lí dữ liệu). Hình 2 biểu diễn việc thiết lập cấu trúc này. Hình 2 Thiết lập một hệ thống đo đạc diện rộng dựa trên việc lấy các phép đo vec tơ pha đồng bộ hóa làm đầu vào cho trung tâm giám sát hệ thống. Trong trường hợp lưới điện có cấu trúc dạng mắt lưới, các ảnh chụp nhanh sau đó được xử lí bằng gói giám sát cơ bản (Basic Monitoring – BM), nó là một phần của SMC. Giám sát cơ sở bao hàm tập các thuật toán gồm có tất cả các cài đặt cho nền diện rộng từ đó triển khai các ứng dụng khác nhau. Chúng có các khả năng sau:  Khả năng cung cấp các dữ liệu đầu vào phù hợp với bất kì ứng dụng nào.  Khả năng thực thi nhanh – để dành đủ thời gian cho các ứng dụng bổ xung trong khoảng thời gian lấy mẫu.  Tính bền vững – có khả năng chịu được các điều kiện dữ liệu đầu vào chất lượng kém (độ sẵn sàng, dải dữ liệu, sự đồng bộ hóa). Các ứng dụng được liên kết với đầu ra của BM. Chúng dự báo trạng thái của hệ thống điện và đưa ra các khuyến cáo cho nhân viên vận hành để có các tác động đúng khi phát hiện được nguy cơ xảy ra mất đồng bộ. Một giao diện đồ họa người sử dụng (Graphical User Interface – GUI) hiển thị các đầu ra của chúng cũng như đầu ra của BM cho nhân viên vận hành. Trong quá trình truy hồi dữ liệu vec tơ pha để phân tích sau sự cố thì các dữ liệu trong quá khứ có thể được lấy ra. II.3 Các chương trình ứng dụng Để tận dụng đầy đủ các ưu điểm của hệ thống giám sát diện rộng, ta cần tuân theo các bước sau. Trước hết, các công ty điện lực và nhà cung cấp WAMS phải tiến hành nghiên cứu ban đầu nhằm xác định các vấn đề thường gặp trong lưới và khu vực nguy hiểm nhất từ đó triển khai WAMS ở đó. Sau đó, cần lựa chọn các thuật toán giám sát cũng như vị trí đặt các PMU phù hợp. Để đảm bảo bước này có chất lượng tốt, cần có nghiên cứu và phát triển một số thuật toán. Các ứng dụng nâng cao này gồm có:  Vị trí đặt tối ưu của PMU  Giám sát cơ bản  Đánh giá ổn định điện áp của các đường dây truyền tải  Giám sát nhiệt độ đường dây  Đánh giá dao động công suất  Đánh giá ổn định tần số Hình 3 Hệ thống nền và các ứng dụng nâng cao của hệ thống giám sát diện rộng III KẾT LUẬN Hệ thống bảo vệ diện rộng là phát triển ở mức cao hơn của hệ thống giám sát diện rộng. Trên thế giới, hệ thống bảo vệ diện rộng đang được phát triển mạnh mẽ dựa trên thành tựu của công nghệ truyền thông. Với xu hướng phát triển, một trị trường điện cạnh tranh và phi điều tiết phát triển thì sự cố sẽ ngày càng trở nên trầm trọng hơn vì nhà cung cấp phải vận hành ở mức dự trữ thấp hơn để tăng hiệu quả kinh tế. Vấn đề này được giải quyết nếu có được một hệ thống giám sát và bảo vệ diện rộng. Hệ thống điện Việt Nam không nằm ngoài qui luật phát triển ấy. Xây dựng một hệ thống bảo vệ diện rộng ở Việt Nam cần được các cơ quan hữu quan quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn để tăng độ tin cậy cung cấp điện trong hiện tại cũng như tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng kết vận hành hệ thống điện Quốc Gia 2008, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc Gia, 2008. [2] Các sự cố trên lưới điện 500 kV qua các năm, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc Gia. [3] CIGRE/IEEE-PES International Symposium Quality and Security of Electric Power Delivery Systems, Experiences with and Perspectives of the System for Wide Area Monitoring of Power Systems (Ref. Nr. 103), J. Bertsch, Member IEEE, M. Zima, Student Member IEEE, A. Surányi, C. Carnal, C. Rehtanz Member IEEE and M. Larsson, Member IEEE, Montreal, Canada 7th to 10th October, 2003. [4] Cigré Task Force 38.02.19 (Convenor: D. Karlsson), System Protection Schemes in Power Networks, CIGRE Technical Brochure no. 187, June, 2001.