Nghiên cứu khả năng áp dụng bảo vệ diện rộng cho hệ thống điện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ÁP DỤNG BẢO VỆ DIỆN
RỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
MÃ SỐ:
ĐỖ ĐỨC TÔN

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

HÀ NỘI 2009


MỤC LỤC

Trang
Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ
Danh mục các bảng biểu
Lời nói đầu
Chương 1: SỰ CỐ DIỆN RỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN........ 1
1.1 Giới thiệu chung ...................................................................................... 1
1.1.1 Sự cố ở WSCC (Western Systems Coordinating Council), Hoa Kì . 6
1.1.2 Sự cố ở West Tennessee, Hoa Kì ...................................................... 7
1.1.3 Sự cố ở Idaho, Hoa Kì....................................................................... 9
1.2 Nguyên nhân sự cố diện rộng và các biện pháp cứu chữa .................... 12
1.3 Các lỗi tiềm ẩn của hệ thống bảo vệ rơle............................................... 15

Chương 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ KĨ THUẬT CỦA HỆ THỐNG BẢO
VỆ DIỆN RỘNG ........................................................................................... 18
2.1 Giới thiệu chung về hệ thống bảo vệ diện rộng..................................... 18
2.1.1 Các yêu cầu chung của hệ thống bảo vệ diện rộng ......................... 18
2.1.2 Các dữ liệu đầu vào của hệ thống bảo vệ diện rộng ....................... 19
2.1.3 Các yêu cầu về chất lượng dữ liệu đầu vào..................................... 22
2.1.4 Các biện pháp ngăn chặn sự cố diện rộng....................................... 23
2.2 Nền tảng kĩ thuật của hệ thống bảo vệ diện rộng .................................. 26
2.2.1 Công nghệ đo lường và xử lí véctơ pha trong hệ thống bảo vệ diện
rộng........................................................................................................... 26
2.2.2 Công nghệ truyền thông .................................................................. 31
2.3 Các phương pháp phân tích dữ liệu và dự báo nguy cơ xảy ra sự cố diện
rộng .............................................................................................................. 34


2.3.1 Kĩ thuật ổn định góc ........................................................................ 34
2.3.2 Kĩ thuật ổn định điện áp .................................................................. 43
2.3.3 Ứng dụng hệ thống chuyên gia để ngăn chặn sự cố diện rộng ....... 49
2.4 Các phương thức điều chỉnh, điều khiển ngăn chặn sự cố diện rộng.... 52
2.4.1 Phương thức điều khiển trực tiếp điện áp nút ................................. 52
2.4.2 Huy động công suất phản kháng ..................................................... 52
2.4.3 Hoạt động của các bộ điều áp dưới tải ............................................ 53
2.4.4 Huy động công suất tác dụng .......................................................... 54
2.4.5 Phối hợp vận hành giữa các công ty truyền tải ............................... 54
2.5 Các tác động bảo vệ hạn chế sự cố diện rộng........................................ 54
2.5.1 Khái niệm về hệ thống bảo vệ đặc biệt ........................................... 55
2.5.2 Sơ đồ sa thải máy phát điện ............................................................ 57
2.5.3 Sơ đồ cắt tải nhanh .......................................................................... 61
2.5.4 Bộ ổn định hệ thống điện ................................................................ 61
2.5.5 Rơle phát hiện mất đồng bộ ............................................................ 62

2.5.6 Sa thải phụ tải tần số thấp ............................................................... 64
2.5.7 Sa thải phụ tải điện áp thấp ............................................................. 68
2.5.8 Điều chỉnh nhanh van turbine máy phát điện ................................. 74
2.6 Các hệ thống bảo vệ diện rộng đang vận hành trên thế giới ................. 75
2.6.1 Điều khiển trực tiếp điện áp nút ở Pháp.......................................... 75
2.6.2 Hỗ trợ thông tin cho nhân viên vận hành ở Pháp............................ 75
2.6.3 Bảo vệ chống sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Hydro-Quebec,
Canada ...................................................................................................... 76
2.6.4 Khóa các OLTC của các máy biến áp phân phối ở Pháp................ 76
2.6.5 Giảm điện áp đặt của OLTC ở Pháp ............................................... 77
2.6.6 Sa thải phụ tải ở hệ thống thủy điện British Columbia (BC), Canada
.................................................................................................................. 77


2.6.7 Ngăn chặn sụp độ điện áp ở hệ thống thủy điện Ontario, Canada.. 78
2.6.8 Sa thải phụ tải khi cấu trúc lưới thay đổi ở Italia............................ 78
2.7 Xu hướng phát triển hệ thống bảo vệ diện rộng .................................... 79
2.7.1 Nâng cấp các chức năng của SCADA/EMS ................................... 79
2.7.2 Kiến trúc nhiều lớp của hệ thống bảo vệ diện rộng ........................ 80
2.7.3 Các thiết bị đầu cuối của hệ thống bảo vệ diện rộng ..................... 82
2.7.4 Kiến trúc của thiết bị đầu cuối ........................................................ 83
Chương 3: HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG BẢO VỆ VÀ ĐIỀU KHIỂN
CỦA VIỆT NAM........................................................................................... 87
3.1 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam.................................................. 87
3.2 Hệ thống bảo vệ và điều khiển .............................................................. 90
3.2.1 Hệ thống bảo vệ trong lưới điện 500 kV......................................... 90
3.2.2 Hệ thống sa thải phụ tải theo tần số ................................................ 93
3.2.3 Hệ thống sa thải đặc biệt ................................................................. 95
3.2.4 Hệ thống SCADA/EMS .................................................................. 95
3.3 Tình hình các sự cố ở Việt Nam ............................................................ 96

3.3.1 Sự cố ngày 27 tháng 12 năm 2006 .................................................. 97
3.3.2 Sự cố ngày 25 tháng 7 năm 2009 .................................................. 100
3.3.3 Nhận xét chung: ............................................................................ 103
Chương 4: ÁP DỤNG BẢO VỆ DIỆN RỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
VIỆT NAM................................................................................................... 104
4.1 Các vấn đề đặt ra khi áp dụng bảo vệ diện rộng cho hệ thống điện Việt
Nam............................................................................................................ 104
4.2 Các thuật toán tìm vị trí tối ưu đặt PMU ............................................. 105
4.2.1 Các định nghĩa............................................................................... 105
4.2.2 Các luật quan sát của PMU ........................................................... 105
4.2.3 Rút gọn sơ đồ ................................................................................ 107


4.2.4 Các phương pháp xác định vị trí đặt tối ưu cho các PMU............ 110
4.3 Xác định các vị trí đặt tối ưu của PMU trên hệ thống 500 kV Việt Nam
.................................................................................................................... 115
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
WSCC

Western Systems Coordinating

Hội đồng điều phối điện miền

Council

Tây
(Tên cũ, trước 18 tháng 4 năm
2002)

WECC

Western Electricity Coordinating Hội đồng điều phối điện miền
Council

Tây
(Tên mới của WSCC, từ 18
tháng 4 năm 2002 đến nay)

COI
NERC

California-Oregon AC

Đường dây liên kết xoay chiều

Intertie

California-Oregon

North American Electric

Tập đoàn độ tin cậy điện Bắc

Reliability Corporation

Mĩ

(North American Electric

(trước 28 tháng 3 năm 2006 là

Reliability Council)

Hội đồng độ tin cậy điện Bắc
Mĩ)

WAPS

Wide Area Protection System

Hệ thống bảo vệ diện rộng

FACTS

Flexible AC transmission system Hệ thống truyền tải điện xoay
chiều linh hoạt

EMS

Energy Management System

SCADA Supervisory, Control And Data
IEEE

Hệ thống quản lí năng lượng

Giám sát, điều khiển và thu thập

Acquisition

dữ liệu

Institute of Electrical and

Hội các kĩ sư điện và điện tử

Electronics Engineers
HVDC

High-voltage direct current

Dòng điện một chiều điện áp
cao


EMTP

ElectroMagnetic Transients

Chương trình quá độ điện từ

Program
PMU

Phasor Measurement Unit

Thiết bị đo véctơ pha

WAMS

Wide Area Measurement System hệ thống đo lường diện rộng

SVC

static VAr compensator

Thiết bị bù tĩnh

ANSI

American National Standards

Viện các tiêu chuẩn Quốc gia

Institute

Hoa Kì

GPS

Global Positioning Satellite

Vệ tinh định vị toàn cầu

BPA

Bonneville Power

Cục năng lượng Bonneville

Administration
PDC

Phasor Data Concentrator

Bộ tập trung dữ liệu véctơ pha

SCE

Southern California Edison

(tên riêng)

EPRI

Electric Power Research Institute Viện nghiên cứu điện lực

TEPCO

Tokyo Electric Power Co.Inc

Công ty điện lực Tokyo

ES

Expert System

Hệ thống chuyên gia

BPES

Backup Protection Expert

Hệ thống chuyên gia bảo vệ dự

System

phòng

Automatic Voltage Regulator

Thiết bị tự động điều chỉnh điện

AVR

áp
OLTC

On Load Tap Changer

Bộ điều áp dưới tải

ENEL

Ente Nazionale per l'Energia

Công ty điện lực Quốc gia Italia

eLettrica
SPS

Special Protection System

Hệ thống bảo vệ đặc biệt

RAS

Remedial Action Scheme

Sơ đồ tác động khắc phục

PSS

Power Pystem Stabilizer

Bộ ổn định hệ thống điện

RFC

Remote Feedback Controller

Bộ điều khiển phản hồi từ xa

EDF

Électricité de France

Điện lực Pháp


DSM

Demand Side Management

Quản lí nhu cầu

LPC

Local Protection Center

Trung tâm bảo vệ địa phương

SPC

System Protection Center

Trung tâm bảo vệ hệ thống

SPT

System Protection Terminal

Thiết bị đầu cuối của hệ thống
bảo vệ

VIP

Voltage Instability Predictor

Thiết bị dự báo mất ổn định
điện áp

WAN

Wide Area Network

PEFD

Protection Element Functionality Hư hỏng chức năng phần tử bảo
Defect

Mạng diện rộng
vệ

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

MPĐ

Máy phát điện

ĐD

Đường dây

TBA

Trạm biến áp


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ các trạng thái vận hành của HTĐ

2

Hình 1.2 Vị trí của sự cố trong trạm

8

Hình 1.3 Đặc tính momen của động cơ

9

Hình 1.4 Dạng sóng của các điện áp và dòng điện pha khi bắt đầu chế độ mất
đồng bộ

10

Hình 1.5 Rơle đã phát hiện mất động bộ trong chế độ dao động chậm

11

Hình 1.6 Các điện áp và dòng điện ở Borah trước khi ĐD Borah-Jim Bridger
bị cắt

11

Hình 1.7 Quá trình biến thiên của tần số trượt

12

Hình 1.8 Rơle không thể phát hiện mất đồng bộ do tần số trượt lớn

12

Hình 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo véctơ pha

26

Hình 2.2 Các thiết bị đo véctơ pha ở WECC

27

Hình 2.3 Hệ thống đo lường và xử lí dữ liệu véctơ pha ở BPA

28

Hình 2.4 Hiển thị dữ liệu thời gian thực của bộ đọc chuỗi

30

Hình 2.5 Rơle phát hiện mất đồng bộ R- R&

37

Hình 2.6 Mô tả mất ổn định điện áp trong không gian trạng thái

45

Hình 2.7 Đường cong VPQ biểu diễn quĩ đạo của điện áp phụ tải V

46

Hình 2.8 Sơ đồ của hệ thống chuyên áp dụng cho bảo vệ diện rộng

50

Hình 2.9 Sơ đồ sa thải MPĐ dựa trên thông tin diện rộng

59

Hình 2.10 Nguyên lí của rơle phát hiện mất đồng bộ

63


Hình 2.11 Sơ đồ sa thải phụ tải theo tần số thích nghi

66

Hình 2.12 Logic sa thải phụ tải tần số thấp thích nghi

68

Hình 2.13 Hệ thống truyền tải hai ĐD cấp cho một tải không đổi

70

Hình 2.14 Đường cong PV trong chế độ vận hành bình thường và sau khi một
ĐD bị cắt ra

70

Hình 2.15 Mô hình HTĐ để nghiên cứu ổn định điện áp

72

Hình 2.16 Điện áp hiệu dụng ở nút 8 và 9 trước khi cắt tải nút 9

73

Hình 2.17 Đặc tính điện áp thấp thời gian thuộc

73

Hình 2.18 Điện áp hiệu dụng ở nút 8 và 9 sau khi cắt tải nút 9

74

Hình 2.19 Kiến trúc bảo vệ diện rộng nhiều lớp

80

Hình 2.20 Thiết kế WAMS

81

Hình 2.21 Thiết kế bảo vệ diện rộng

81

Hình 2.22 Các thiết bị đầu cuối trong hệ thống bảo vệ ngăn chặn mất ổn định

điện áp

82

Hình 2.23 Sơ đồ và các giao diện của thiết bị đầu cuối trong hệ thống bảo vệ
diện rộng

85

Hình 2.24 Các giao diện và đầu ra PMU và VIP

85

Hình 3.1 Hệ thống truyền tải 500 kV của Việt Nam

88

Hình 3.2 Tương quan giữa tăng trưởng nguồn và phụ tải cực đại năm 2008 89
Hình 3.3 Biểu đồ cơ cấu công suất đặt năm 2008

90

Hình 4.1 Luật quan sát thứ nhất

106

Hình 4.2 Luật quan sát thứ hai

106


Hình 4.3 Luật quan sát thứ ba

107

Hình 4.4 Mô tả cách rút gọn máy biến áp

108

Hình 4.5 Mô tả cách rút gọn các nguồn và tải

108

Hình 4.6 Mô tả cách rút gọn đường dây một chiều

109

Hình 4.7 Mô tả cách rút gọn nút không thể quan sát

109

Hình 4.8 Mô tả cách rút gọn các kháng đóng cắt

109

Hình 4.9 Mô tả cách rút gọn đường dây có tụ bù dọc

110

Hình 4.10 Mô tả cách khử các nút giả

110

Hình 4.11 Thuật toán cây bao trùm cho hệ thống IEEE 14 nút

112

Hình 4.12 Sơ đồ rút gọn của hệ thống 500 kV Việt Nam

116


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 2.1 Sự làm việc của hệ thống véctơ pha trong khoảng thời gian hai
tháng ngẫu nhiên năm 2002

31

Bảng 3.1 Cắt do tải tần số thấp (F81) năm 2008

94

Bảng 3.2 Tổng kết sự cố 500 kV qua các năm vận hành

97

Bảng 3.3 Các nguồn điện ở miền Bắc trước khi xảy ra sự cố

98

Bảng 3.4 Các nguồn điện trước sự cố

100

Bảng 4.1 Thứ tự xếp hạng các nút sơ bộ

117


1

Chương 1: SỰ CỐ DIỆN RỘNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN LỚN
1.1 Giới thiệu chung
Xét trên phương diện địa lí, hệ thống điện (HTĐ) là một trong những

hệ thống liên kết lớn nhất trong công nghiệp. Vì thế HTĐ tồn tại các vấn đề
lớn về kĩ thuật cần giải quyết. Do các nguồn điện và phụ tải thường nằm xa
nhau nên cần phải có một hệ thống truyền tải tin cậy. Thường người ta đặt bổ
sung các thiết bị bù dọc, bù tĩnh (SVC) và các bộ dịch pha để tăng dung lượng
công suất truyền tải cho phép trên lưới điện nhưng cũng chính vì vậy mà HTĐ
cũng trở nên khó điều khiển hơn. Hơn nữa, HTĐ được chia ra thành các phần
phát, truyền tải, và phân phối do các công ty riêng biệt quản lí và vận hành, do
đó làm phức tạp hóa việc phối hợp điều khiển trên toàn hệ thống.
Một HTĐ cần duy trì độ sai lệch tần số và điện áp trong giới hạn cho
phép ở chế độ vận hành bình thường và bất bình thường. Giới hạn tần số
thường là fdđ ± 0,1 Hz, trong khi giới hạn điện áp thường là Vdđ ± 5%. Ngoài ra,
giới hạn phát nóng của các phần tử trong HTĐ (đường dây, máy biến áp, máy
phát điện,…) phải không bị vi phạm.
Fink và Carlsen [12] cũng như Kundur [33] đã định nghĩa năm trạng
thái vận hành của hệ thống (bình thường, cảnh báo, khẩn cấp, sự cố nghiêm
trọng, và hồi phục-sau sự cố), như được mô tả trên hình 1.1.
HTĐ vận hành ở chế độ bình thường khi tần số và điện áp gần với giá
trị định mức và có một lượng công suất dự phòng đủ.


2

Hình 1.1 Sơ đồ các trạng thái vận hành của HTĐ
Hệ thống rơi vào trạng thái cảnh báo khi giảm đáng kể lượng công suất
dự phòng, hoặc khi có vấn đề với một hoặc một vài phần tử (ví dụ, khi một
hoặc một vài đường dây bị quá tải). Trong trạng thái cảnh báo, hệ thống điều
khiển tự động và bằng tay hoạt động để đưa hệ thống trở lại trạng thái bình
thường. Ta cần một hệ thống giám sát và đo lường chính xác để nhanh chóng
phát hiện các vấn đề của HTĐ và tăng tốc độ khôi phục hệ thống [13].
Hệ thống rơi vào trạng thái khẩn cấp khi giới hạn điện áp hoặc giới hạn

phát nóng bị vi phạm hoặc sự cố xuất hiện. Trong trường hợp có sự cố, hệ
thống bảo vệ phát hiện sự cố và tiến hành các biện pháp khắc phục để giảm
các nhiễu động trong hệ thống đến mức tối thiểu. Có các rơle bảo vệ và máy
cắt tốc độ cao là điều kiện cần, đưa ra các tác động đúng và kịp thời là điều
kiện đủ để ngăn chặn hệ thống rơi vào trạng thái sự cố nghiêm trọng. Khi hệ
thống rơi vào trạng thái khẩn cấp mà không phải do sự cố ở một nơi nào đó,
cần thiết phải có các tác động điều khiển tự động (điều chỉnh van nhanh,
SVC,...) để khôi phục trạng thái làm việc bình thường hoặc cảnh báo và ngăn
chặn hệ thống rơi vào trạng thái sự cố nghiêm trọng.


3

Nếu hệ thống không thể duy trì cân bằng nguồn-tải hoặc duy trì điện áp
trong giới hạn mong muốn thì hệ thống sẽ rơi vào trạng thái sự cố nghiêm
trọng. Trong trạng thái sự cố nghiêm trọng, các tác động sa thải phụ tải, sa
thải nguồn điện, hoặc chia tách hệ thống thành các đảo xuất hiện để lập lại
cân bằng nguồn-tải, hoặc đưa điện áp trở lại mức chấp nhận được. Sơ đồ sa
thải phụ tải tần số thấp hoạt động để cân bằng nguồn-tải trong hệ thống; sơ đồ
sa thải phụ tải khi điện áp thấp hoạt động để tránh việc sụp đổ điện áp trong
hệ thống. Khi cần thiết, một số biện pháp khác như chia tách hệ thống lớn
thành các hệ thống nhỏ riêng biệt (tách đảo) hoặc sa thải các máy phát điện
(MPĐ) được tiến hành để duy trì cân bằng nguồn-tải và ngăn chặn sụp đổ
toàn hệ thống.
Sau khi cắt nguồn điện và/hoặc phụ tải, hệ thống trở về trạng thái hồi
phục. Trong trạng thái này, các nguồn điện và phụ tải bắt đầu được đưa trở lại
làm việc tự động hoặc bằng tay.
Các sự cố diện rộng là một bài toán khó vì mức độ rộng lớn và phức tạp
của HTĐ. Khi một sự cố trong HTĐ 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, hệ thống bảo vệ và điều khiển
truyền thống hoặc không đủ nhanh hoặc thiếu thông tin cần thiết để đưa ra tác
động đúng.
Các hệ thống hiện đại được liên kết với nhau để cung cấp cho khách
hàng điện năng có chất lượng tốt hơn. Nhưng cũng chính vì điều này mà đôi
khi các sự cố lại nghiêm trọng hơn. Các nhà qui hoạch cố gắng thiết kế các
HTĐ tin cậy có thể vượt qua các sự cố bất thường. Nhưng thậm chí kể cả với
hệ thống được qui hoạch cẩn thận nhất thì các sự kiện không lường trước vẫn


4

xuất hiện, có thể đưa hệ thống vượt qua giới hạn được qui hoạch. Ta không
thể đạt được sự tin cậy hoàn toàn vì các lí do sau:
•

Trong HTĐ liên kết, ta không thể lường hết được các điều kiện vận
hành ngẫu nhiên có thể xảy ra.

•

Do HTĐ là một hệ thống lớn, diễn ra đồng thời nhiều hiện tượng vật lí
phức tạp nên các mô phỏng không thể phản ánh chính xác hoàn toàn
các hiện tượng xảy ra trong hệ thống, nhất là khi có sự cố.

•

Sự trùng hợp cách ngẫu nhiên giữa các sự kiện không thường gặp và
không mong muốn (ví dụ, các lỗi do người kết hợp với thời tiết khắc
nghiệt và cắt điện bảo dưỡng các phần tử quan trọng theo kế hoạch

hoặc bất thường). Tuy sự trùng hợp này có xác suất thấp nhưng hậu
quả thường rất nghiêm trọng.

•

Phương châm thiết kế, vận hành là đưa hệ thống đến gần các giới hạn
do áp lực về kinh tế và môi trường.
Ngoài xu hướng vận hành HTĐ gần giới hạn do có các ràng buộc về

yếu tố kinh tế và môi trường. Các HTĐ hiện tại còn xuất hiện các nhà máy
điện độc lập (không do các công ty điện lực quản lí), công suất truyền tải giữa
các khu vực tăng không ngừng, thị trường điện lực có tính cạnh tranh ngày
càng cao hơn. Tất cả các yếu tố đó làm cho HTĐ trở nên phức tạp hơn, khó
vận hành và điều khiển hơn, và vì thế sẽ thiệt hại nhiều hơn khi có sự cố.
Nhưng ngược lại, các tiến bộ trong đo lường và truyền thông, cùng với sự
xuất hiện thiết bị FACTS (là phương tiện điều chỉnh, điều khiển có hiệu quả
khi có sự cố), và các mô hình điều khiển mới (logic mờ và mạng nơron) giúp
phát hiện và điều khiển khi có sự cố hiệu quả hơn.


5

Ý tưởng về một hệ thống bảo vệ diện rộng (Wide Area Protection
System, WAPS) được đề ra với mục đích phát hiện và ngăn chặn các sự cố
một cách hiệu quả hơn cũng như điều khiển tốt hơn trong cả chế độ bình
thường và bất bình thường. Bảo vệ diện rộng là khái niệm về việc dùng các
thông tin diện rộng và gửi các thông tin chọn lọc tại chỗ đến các điểm ở xa để
ngăn chặn sự lan tràn của các sự cố. Với sự phát triển của các máy tính, công
nghệ đo lường và truyền thông; các thiết bị thông minh hơn được dùng ở cấp
địa phương để cải tiến toàn diện đáp ứng khi có sự cố.

Trong lịch sử, chỉ có điều khiển tập trung mới áp dụng được các công
cụ phân tích phức tạp bởi vì chỉ cấp độ cao thì hỗ trợ của các máy tính và
truyền thông mới thỏa mãn được các yêu cầu kĩ thuật và kinh tế. Tuy nhiên,
với việc tăng khả năng của máy tính, hệ thống truyền thông và các kĩ thuật đo
lường, các thiết bị thông minh có thể được dùng ở cả cấp địa phương. Việc
thu hẹp khoảng cách giữa các quyết định, tác động của trạm điều khiển trung
tâm và trạm điều khiển địa phương phụ thuộc vào mức độ thông minh của các
thiết bị đặt tại trạm điều khiển địa phương. Các trạm điều khiển địa phương
có thể đưa ra các quyết định dựa trên thông số đo tại địa phương và thông tin
từ xa và/hoặc gửi thông tin tiền xử lí đến cấp cao hơn. Đây là một giải pháp
cho vấn đề phi tập trung hóa hệ thống điều khiển. Các phần tử của bảo vệ diện
rộng có khả năng nhận các thông tin và lệnh trên diện rộng thông qua hệ
thống truyền dữ liệu và gửi các thông tin chọn lọc ở địa phương tới trung tâm
SCADA (Supervisory, Control And Data Acquisition).
Dưới đây là phân tích và bình luận về một số cự cố diện rộng để thấy
rõ mức độ cần thiết phải có một hệ thống bảo vệ diện rộng.


6

1.1.1 Sự cố ở WSCC (Western Systems Coordinating Council), Hoa Kì
Sự cố này xảy ra vào ngày 10 tháng 8 năm 1996 [19]. Các điều kiện tạo
nên sự cố này được hình thành trong khoảng thời gian hơn 1,5 giờ trước khi
sự cố bắt đầu. Trong khoảng thời gian đầu, ba đường dây (ĐD) 500 kV ở
Washington và Oregon bị cắt ra. Vì khi bị cắt các ĐD này không nặng tải nên
người ta không nhận ra sự nguy hiểm của hệ thống truyền tải nếu gặp phải
một sự cố ngẫu nhiên khác. Ở thời điểm này, có một lượng công suất lớn
(4700 MW) được truyền từ Canada và Pacific Northwest đến khu vực
California.
Sự cố bắt đầu khi ĐD 500 kV thứ tư bị cắt ra do hỏng hóc, cùng với sự

cố ngẫu nhiên mất ĐD thứ năm do cấu hình trạm ở các đầu ĐD không bình
thường (một số thiết bị trong trạm không làm việc). Mất hai ĐD cuối cùng
này gây áp lực lên các ĐD truyền tải 230 kV và 115 kV ở tầng dưới của hệ
thống 500 kV. Khoảng 5 phút sau, một ĐD 115 kV bị cắt ra do rơle hỏng, và
vấn đề nặng tải đã gây ra sụt áp và phóng điện vào cây cối trên ĐD 230 kV.
Các MPĐ ở nhà máy thủy điện McNary ở biên giới Oregon Washington ở
trạng thái kích từ tối đa để duy trì các điện áp hệ thống. Các vấn đề nội tại của
các bộ kích từ ở các nhà máy làm cho các MPĐ ở đây bị cắt ra trong một
vòng một phút. Ngay lập tức sau khi các MPĐ bị cắt, điện áp sụt giảm và các
dao động công suất bắt đầu ở đường liên kết California Oregon. Đường liên
kết này bị cắt sau khi mất các MPĐ ở McNary 27 s. Sau khi ĐD liên kết
California Oregon bị cắt, chế độ mất đồng bộ đã làm chia tách phía bắc
California và phía nam California, và các bang phía nam trong WSCC. Tần số
thay đổi bất ngờ và chế độ mất đồng bộ làm mất đi một lượng công suất phát
lớn. Mặc dù chỉ có 4800 MW công suất truyền tải từ Bắc đến Nam bị mất
nhưng có thêm tới 21500 MW công suất phát ở phía Nam bị mất dẫn đến một
lượng phụ tải 27400 MW bị mất, ảnh hưởng hơn 7 triệu khách hàng.


7

Khi Pacific Northwest và Canada bị tách khỏi WSCC, tần số hệ thống
tăng rất nhanh. Quá tải ĐD 500 kV làm cho các tỉnh phía nam Canada của
Alberta bị tách ra khỏi đảo Pacific Northwest. Sau khi bị tách ra, tần số ở
Alberta giảm, làm mất một lượng phụ tải 1000 MW.
Tổng hợp lại, có 30500 MW phụ tải và 27300 MW công suất phát bị
mất, ảnh hưởng 7,5 triệu khách hàng trong một khu vực trải dài 2500 km từ
Bắc tới Nam và 2000 km từ Đông tới Tây.
Một sơ đồ giám sát diện rộng có thể giúp nhận biết sự yếu đi và nặng
tải thêm của hệ thống truyền tải từ đó đưa ra những tác động kịp thời, ngăn

chặn sự lan rộng của sự cố.
1.1.2 Sự cố ở West Tennessee, Hoa Kì
Bullock [17] đã mô tả một trường hợp sụp đổ điện áp toàn hệ thống ở
West Tennessee. Vấn đề bắt đầu với một sự cố của máy cắt khi máy cắt đang
cắt một phụ tải dung kháng (hình 1.2). Trạm biến áp không có bảo vệ chống
hư hỏng máy cắt cũng như bảo vệ thanh góp ở nút bị sự cố. Bảo vệ dự phòng
ở xa đã phải làm việc. Rơle bảo vệ quá dòng có thời gian phụ thuộc dự phòng
cho máy biến áp (MBA) đã cắt máy cắt ở phía cao áp của MBA. Các rơle
khoảng cách vùng 2 cắt các đầu phía xa có bơm dòng tới điểm sự cố. Tổng
thời gian loại trừ sự cố kéo dài hơn một giây. Độ lớn điện áp ở khu vực lân
cận giảm 75% so với định mức. Thời tiết nóng làm cho các động cơ bắt đầu
ngừng làm việc, dẫn tới việc tăng công suất phản kháng lấy từ hệ thống. Chế
độ hoạt động ở điện áp thấp kết thúc sau hơn 10 s. Hệ thống mất hơn 700
MW trong suốt thời gian sụp đổ điện áp.
Các động cơ điều hòa không khí làm trễ sự khôi phục điện áp
Điện áp thấp tại nơi có phụ tải động lực sẽ làm trễ sự khôi phục điện
áp. Điện áp thấp sẽ làm giảm đặc tính momen của động cơ (hình 1.3). Đặc


8

tính phụ tải máy nén của điều hòa không khí phụ thuộc vào chế độ vận hành.
Khi đặc tính phụ tải máy nén là đường cong “nóng”, máy nén sẽ không thể trở
lại tốc độ làm việc bình thường nếu điện áp giảm thấp. Động cơ sẽ không
khởi động lại cho tới khi đặc tính phụ tải trở lại đường cong “lạnh” hoặc điện
áp trở lại bình thường. Ngẫu nhiên khởi động rotor sẽ ngăn cản việc khôi
phục nhanh hệ thống.

Hình 1.2 Vị trí của sự cố trong trạm

9

Hình 1.3 Đặc tính momen của động cơ
1.1.3 Sự cố ở Idaho, Hoa Kì
Vào ngày 17 tháng 1 năm 1994, một trận động đất gần Los Angeles,
California làm mất nhiều ĐD truyền tải, tạo ra một sự cố nghiêm trọng ở phía
tây nước Mĩ. Dạng sóng trên hình 1.4 vẽ sự khởi đầu của dao động công suất
mà rơle khoảng cách của ĐD 345 kV Borah-Jim Bridger nhìn từ trạm biến áp
Borah ở Idaho khi hệ thống gặp sự cố. ĐD Borah-Jim Bridger dài 239,68 dặm
và bù dọc 42,5%. Sự dao động bắt đầu chậm với tần số trượt trong khoảng từ
-0,1 đến -0,5 Hz. Hình 1.5 vẽ tổng trở thành phần thứ tự thuận mà rơle nhìn ở
chế độ này. Logic phát hiện mất đồng bộ của rơle phát hiện dao động và khóa
phần tử khoảng cách vùng 1.


10

Điện áp

Các điện áp pha

Dòng điện

Các dòng điện pha

Chu kì

Hình 1.4 Dạng sóng của các điện áp và dòng điện pha khi bắt đầu chế độ mất
đồng bộ

Sau đó, tần số trượt của hệ thống thay đổi dần và đến thời điểm cắt thì
đạt -5 Hz (hình 1.6). Hình 1.7 thể hiện tần số trượt tính toán được. Hình 1.8
mô tả quĩ đạo của tổng trở trong 1 chu kì, nó là một vòng tròn. Tổng trở ngoài
rời khỏi vùng 1 ở bên phải và đi vào vùng 1 ở bên trái. Rơle không thể phát
hiện được sự mất đồng bộ ở lần thứ hai này vì tần số trượt lớn. Rơle kích hoạt
tín hiệu cắt khi tổng trở ngoài đi vào vùng 1. Sự kiện cắt xảy ra khi góc lệch
giữa hai phía tiến tới 1800. Máy cắt được mở ra khi hai hệ thống hoàn toàn
mất đồng bộ, tạo thêm áp lực cho máy cắt. Đường dây bị mở ra do mất điều
khiển bởi vì rơle đã không thể phát hiện được mất đồng bộ.
Thuật toán phát hiện mất đồng bộ cần được cải tiến để tạo ra lệnh cắt ở
thời gian và vị trí thích hợp, từ đó làm giảm phạm vi sự cố và áp lực đến các
thiết bị chính trong hệ thống.


11

Tồng trở ngoài thứ tự thuận

Hình 1.5 Rơle đã phát hiện mất động bộ trong chế độ dao động chậm

Điện áp

Các điện áp pha

Dòng điện

Các dòng điện pha

MC mở

Chu kì

Hình 1.6 Các điện áp và dòng điện ở Borah trước khi ĐD Borah-Jim Bridger
bị cắt


12

Chu kì

Hình 1.7 Quá trình biến thiên của tần số trượt
Tồng trở ngoài thứ tự thuận

Hình 1.8 Rơle không thể phát hiện mất đồng bộ do tần số trượt lớn
1.2 Nguyên nhân sự cố diện rộng và các biện pháp cứu chữa
Các nguyên nhân (hiện tượng) sinh ra sự cố diện rộng của HTĐ được
phân chia thành các nhóm sau: mất ổn định góc, mất ổn định điện áp, quá
tải,… Người ta ngăn chặn các hiện tượng này bằng việc dùng các rơle bảo vệ
và các biện pháp điều khiển khẩn cấp.


13

Bảo vệ mất đồng bộ được áp dụng cho các MPĐ và hệ thống với mục
tiêu loại trừ khả năng gây nguy hiểm đến MPĐ khi xuất hiện chế độ mất đồng
bộ. Trong HTĐ, khi xảy ra chế độ mất đồng bộ, các rơle này sẽ tác động để
chia tách hệ thống thành các đảo ở các điểm định trước. Các rơle khoảng cách
thường được tích hợp chức năng bảo vệ mất đồng bộ, chúng được dùng để
đưa ra tín hiệu khóa hoặc cắt dựa trên việc phát hiện chế độ mất đồng bộ.
Phương pháp dự báo phổ biến nhất để phát hiện mất đồng bộ là tiêu

chuẩn cân bằng diện tích và các biến thể của nó. Phương pháp này giả thiết
rằng các hành vi của HTĐ giống như là một mô hình hai máy trong đó một
máy dao động so với phần còn lại của hệ thống. Mặc dù giả thiết này có thể
không hoàn toàn chính xác nhưng phương pháp vẫn giúp phát hiện nhanh dao
động.
Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện duy trì điện áp ở tất
cả các nút trong phạm vi cho phép ở chế độ bình thường và sau khi có nhiễu
động. Hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định điện áp khi có một nhiễu động,
khi nhu cầu phụ tải tăng hay thay đổi chế độ làm việc của hệ thống làm xuất
hiện quá trình suy giảm điện áp không điều khiển được. Yếu tố chính gây ra
mất ổn định điện áp là hệ thống điện không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu
công suất phản kháng.
Sự nguy hiểm của mất ổn định điện áp tăng khi hệ thống truyền tải trở
nên nặng tải hơn. Kịch bản thông thường của dạng mất ổn định này bắt đầu
với hệ thống đang nặng tải, sau đó rơle tác động do một ĐD quá tải hoặc giới
hạn kích từ bị vượt quá.
Phạm vi ảnh hưởng của mất ổn định điện áp có thể được giảm thiểu khi
thêm vào thiết bị bù công suất phản kháng gần các trung tâm phụ tải, tăng