Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện

bộ giáo dục và đào tạo
đại học bách khoa hà nội

Phạm Hữu Phước

ứng dụng mạng nơ ron
nhân tạo đánh giá mức độ
ổn định của hệ thống điện
Ngành: Kỹ thuật điện

luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện
người hướng dẫn: ts. nguyễn đức huy

Hà Nội, tháng 4 năm 2016


Mục lục
Mục lục

i

Danh sách hình vẽ

vi

Danh sách bảng

viii

Các thuật ngữ viết tắt

ix

1 Giới thiệu chung
1.1 Mục tiêu nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Cấu trúc luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1
2
2

2 Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện
2.1 Một số định nghĩa cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Hệ thống điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Chế độ của hệ thống điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện . . . . . . . .
2.2 Ổn định hệ thống điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Sự cân bằng công suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Các phân loại ổn định của hệ thống điện . . . . . . . . . .
2.3 Đánh giá ổn định quá độ bằng phương pháp cân bằng diện tích .
2.3.1 Phương trình mô tả chuyển động quay của máy phát . . .
2.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Phương pháp xác định thời gian cắt tới hạn CCT dựa trên
mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4
4
4
5
7

8
8
9
12
12
14

i

22
26


Contents

3 Các phương pháp trí tuệ nhân tạo đánh giá ổn định hệ thống
điện
3.1 Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Nơron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Mô hình mạng nơron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Huấn luyện mạng ANN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 Mạng nhiều tầng truyền thẳng MLP . . . . . . . . . . . . .
3.1.5 Mạng SVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Cây quyết định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Một số công cụ trí tuệ nhân tạo khác . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Ứng dụng mạng ANN trong đánh giá ổn định động của HTĐ . . .
4 Ứng dụng các công cụ trí tuệ nhân tạo đánh giá và phân loại
mức độ ổn định
4.1 Quy trình tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Lưới điện IEEE 9 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1 Kết quả phân loại với công cụ Neural Network Toolbox
(MATLAB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Kết quả phân loại với công cụ Support Vector Machine . .
4.2.3 Kết quả phân loại với công cụ Multi-class Neural Network
của Microsoft Azure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Kết quả phân loại với công cụ Two Class Boosted Decision
Tree của Microsoft Azure . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Lưới điện IEEE 39 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Mô tả chung về lưới điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Kết quả phân loại với các mạng trí tuệ nhân tạo . . . . . .
4.3.3 Một số phân tích định tính . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Kết luận

ii

28
29
29
31
33
35
36
42
46
48

51
51
54
58

59
59
60
61
61
63
66
70

A Một số code chương trình sử dụng trong luận văn
72
A.1 Chương trình con chuẩn bị số liệu cho MS Azure Machine Learning 72
A.2 Chương trình MATLAB huấn luyện mạng nơ ron . . . . . . . . . . 75


Contents

Tài liệu tham khảo

iii

78


Lời cảm ơn
• Đầu tiên cho tôi gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn

Hệ thống điện - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn thạc sỹ này. Đây là cơ hội tốt để tôi được thực hành các
kỹ năng, kiến thức đã học trên giảng đường và giúp tôi ngày càng tự tin

hơn vào bản thân mình.
• Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS. Nguyễn Đức Huy trong

suốt thời gian qua đã nhiệt tình chỉ dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận
văn thạc sỹ này.
• Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể người thân, bạn bè, nhữn

người luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua.
• Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu

sót. Tôi kính mong các thầy cô chỉ bảo, đóng góp ý kiến để tôi có thể hoàn
thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

iv


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoa
học trong luận văn được sử dụng của các công trình khác đã nghiên cứu được
chú thích đấy đủ, đúng quy định.

Hà Nội, ngày tháng 04 năm 2016
Tác giả luận văn

v


Danh sách hình vẽ
2.1

2.2

Phân loại các quá trình ổn định [1, 2] . . . . . . . . . . . . . . . .
Đồ thị đặc tính công suất máy phát theo góc áp dụng phương
pháp cân bằng diện tích. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ một máy phát - thanh cái vô cùng lớn. . . . . . . . . . . . .
Phương pháp cân bằng diện tích. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích
trong trường hợp hệ thống ổn định. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích
trong trường hợp hệ thống mất ổn định. . . . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán xác định CTT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phương pháp xác định mất đồng bộ trong quá trình mô phỏng. .
Xác định mô phỏng mất ổn định dựa trên sự phân kỳ của góc
máy phát so với tâm quán tính. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

Mô hình nơ ron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . .
Mạng truyền thẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mạng phản hồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mạng MLP tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bài toán phân lớp tuyến tính . . . . . . . . . . . .
Siêu phẳng phân tách H0 và siêu phẳng lề H+ , H−
Ví dụ về cây quyết định . . . . . . . . . . . . . . .
Giao diện Azure Web Portal. . . . . . . . . . . . .

30
32
33
35
37
38
43
48

4.1
4.2
4.3
4.4

Quy trình tạo cơ sở dữ liệu từ số liệu hệ thống điện mẫu. . . . . .
Tiêu chí đánh giá khả năng phân loại của công cụ trí tuệ nhân tạo.
Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân bố các giá trị CCT của các chế độ làm việc, lưới IEEE 9 nút.

2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

2.8
2.9

vi

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

12
15
17
18

20
20
24
25

52
54
55
56


List of Figures

4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13

Đánh giá kết quả phân loại dựa trên MATLAB Neural network
Toolbox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ lưới IEEE 39 nút (New England). . . . . . . . . . . . . . . .
Kịch bản mất ổn định máy phát G7. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kịch bản mất ổn định máy phát G8. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kịch bản mất ổn định máy phát G9. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân bố các điểm làm việc theo P9-Q9. . . . . . . . . . . . . . . .

Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G9 với
các biến đầu vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân bố các điểm làm việc theo P8-P9. . . . . . . . . . . . . . . .
Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G8 với
các biến đầu vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

58
61
62
62
62
66
67
68
69


Danh sách bảng
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9

Cấu trúc thông số đầu vào huấn luyện. . . . . . . . . . . . . . . . .
Số liệu CCT của máy phát G2, lưới IEEE 9 nút. . . . . . . . . . .
Kết quả phân loại CCT với mạng nơ ron, lưới IEEE 9 nút. . . . .
Kết quả phân loại CCT với mạng SVM, lưới IEEE 9 nút. . . . . .
Kết quả phân loại CCT với mạng nơ ron của AZUREML, lưới
IEEE 9 nút. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết quả phân loại CCT với cây quyết định của AZUREML, lưới
IEEE 9 nút. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G7.
Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G8.
Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G9.

viii

54
57
59
59
60
60
64
65
65


Các thuật ngữ viết tắt
ANN

Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks)

CCT

Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)

COA

Tâm góc (Center Of Angle)

COI

Tâm quán tính (Center Of Inertia)

EAC

Phương pháp cân bằng diện tích (Equal Area Criterion)

FA

Cảnh báo sai sự cố không nguy hiểm (False Alarm)

FD

Loại trừ sai sự cố nguy hiểm (False Dismissal)

HTĐ

Hệ thống điện

MAPE Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối (Mean Absolute Percent Error)
QTQĐ

Quá trình quá độ

SIME

Mô hình đẳng trị một máy phát (Single Machine Equivalent)

ix


Chương 1

Giới thiệu chung
Trong quá trình lập phương thức vận hành cho hệ thống điện cũng như trong
quá trình vận hành thời gian thực, việc đánh giá được chính xác và nhanh chóng
mức độ ổn định của hệ thống theo các tiêu chuẩn khác nhau có ý nghĩa quan
trọng. Ổn định quá độ là dạng ổn định của hệ thống điện khi có các kích động
lớn, dẫn điện biến động lớn về góc lệch của các máy phát. Việc phân tích ổn
định quá độ thường cần sử dụng các mô phỏng dựa trên phương pháp tích phân
số. Đây là công việc khá mất thời gian, đặc biệt nếu số lượng sự cố cần xét là
lớn.
Với sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ trí tuệ nhân tạo và những kết quả
tích cực của việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ
thuật, việc nghiên cứu đánh giá khả năng của mạng trí tuệ nhân tạo trong việc
phân loại các chế độ làm việc theo điều kiện ổn định là cần thiết. Các nghiên
cứu trước đây về lĩnh vực này cũng cho kết quả rất khả quan [3–9].

1

Chương 1. Giới thiệu

1.1

2

Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn đặt mục tiêu xây dựng một quy trình tạo số liệu huấn luyện các mạng
trí tuệ nhân tạo nhằm đánh giá mức độ ổn định quá độ của hệ thống điện, dựa
trên số liệu của chế độ xác lập. Bên cạnh việc xây dựng quy trình tính toán và
mô phỏng, một mục tiêu khác của luận văn là thử nghiệm quy trình với nhiều
công cụ trí tuệ nhân tạo khác nhau, như các mạng nơ ron được hỗ trợ trong phần
mềm MATLAB, mạng SVM được hỗ trợ bằng phần mềm miễn phí LibSVM, và
các mạng trí tuệ nhân tạo mới, được hỗ trợ bởi hãng Microsoft thông qua cơ
chế tính toán đám mây.
Để đạt được mục đích này người nghiên cứu đã tiến hành các công việc:

– Nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng hệ thống điện.
– Xây dựng mô hình mô phỏng cho các hệ thống điện mẫu: IEEE 9 nút, New
England (IEEE 39 nút).
– Tạo cơ sở dữ liệu bằng cách mô phỏng các kịch bản sự cố cho hệ thống
điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.
– Huấn luyện mạng nơ ron dựa trên cơ sở dữ liệu thu thập được và đánh giá
kết quả.

1.2

Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm các chương như sau:


Chương 1. Giới thiệu

3

– Chương 1: Giới thiệu
– Chương 2: Tổng quan về ổn định và ổn định quá độ, phương pháp đánh
giá ổn định quá độ của hệ thống điện
– Chương 3: Giới thiệu về mạng nơ ron nhân tạo và các phương pháp trí tuệ
nhân tạo nhằm đánh giá ổn định hệ thống điện
– Chương 4: Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đánh giá ổn định một số hệ
thống điện mẫu.
– Chương 5: Kết luận.


Chương 2

Đánh giá ổn định quá độ
hệ thống điện
2.1

Một số định nghĩa cơ bản

2.1.1

Hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền

tải và tiêu thụ điện năng[10].
Các phần tử của hệ thống điện được chia làm hai nhóm:

– Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối
và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết
bị dùng điện. . .
4


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

5

– Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ
thống điện như bộ điều chỉnh kích từ máy phát điện đồng bộ, điều chỉnh
tần số, bảo vệ rơle, máy cắt. . .

Mỗi phần tử của hệ thống được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này
được xác định về lượng bởi tính chất vật lí của các phần từ, sơ đồ liên lạc giữa
chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường
dây, hệ số biến áp . . . Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông
số của hệ thống điện.
Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng
phụ thuộc vào dòng công suất, tần số. . . như X, Y, độ từ hóa. . . Trong phần lớn
các bài toán thực tế có thể coi chúng là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến
tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số, ta có hệ thông phi tuyến, đây
là một dạng phi tuyến của hệ thống điện, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến
trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hòa của máy phát điện,
máy biến áp trong các bài toán ổn định.

2.1.2

Chế độ của hệ thống điện

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trjan thái làm
việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó
gọi là chế độ của hệ thống điện.
Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U , I , P , Q, f , δ . . . tại
mọi điểm của hệ thống. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

6

khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi hệ thoóng điện làm việc.
Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của hệ thống điện.
Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số hệ thống điện,
nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến. Ví du P = U 2 /R.
Đó là dạng phi tuyến thứ hai của hệ thống điện, dạng phi tuyến này không thể
bỏ qua trong các tính toán.
Các chế độ của hệ thống điện được chia thành hai loại:

1. Chế độ xác lập là chế độ mà trong đó các thông số của nó dao động rất nhỏ
xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông
số này là hằng số. Chế độ xác lập được chia thành:
– Chế độ xác lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của hệ
thống điện.
– Chế độ xác lập sau sự cố xảy ra sau khi loại trừ sự cố.
– Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ, ví

dụ như chế độ ngắn mạch duy trì. . .
2. Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số biến đổi rất nhiều. Chế độ
quá độ gồm có:
– Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ chế độ xác lập bình
thường này sang chế độ xác lập bình thường khác.
– Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

2.1.3

7

Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện

Đối với các chế độ xác lập bình thường, các yêu cầu là:

– Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải
có chất lượng đảm bảo, tức là giá trị của các thông số chất lượng (điện áp,
tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
– Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thỏa mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng
điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyển tải và phân phối
điện năng nhỏ nhất.
– Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người
tiêu dùng và thiết bị phân phối điện.

Đối với chế độ xác lập sau sự cố: Các yêu cầu nói trên đều được giảm đi nhưng
chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc
là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ

này về chế độ xác lập bình thường.
Đối với chế độ quá độ, yêu cầu sẽ là:

– Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng chế độ xác lập bình thường hay chế
độ xác lập sau sự cố.
– Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép. Ví
dụ giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi
ngắn mạch.


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

8

– Các yêu cầu của hệ thống điện được xem xét đến khi thiết kế và được đảm
bảo bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành hệ thống
điện.

2.2
2.2.1

Ổn định hệ thống điện
Sự cân bằng công suất

Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng tác dụng và công
suất phản kháng. Công suất do các nguồn sinh ra phải cân bằng công suất do
các phụ tải tiêu thụ cộng với công suất tổn thất trong các phần tử của hệ thống
điện.
PF = Ppt + ∆P = P

(2.1)

QF = Qpt + ∆Q = Q

(2.2)

Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:
S 2 = P 2 + Q2

(2.3)

cho nên các điều kiện cân bằng công suất 2.1 và 2.2 không thể xét độc lập mà
lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.
Tuy vậy, trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gần đúng,
có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
tuân theo các quy luật riêng ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là:


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

9

1. Công suất tác dụng cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ
f hoặc là nằm trong giới hạn cho phép fcpmin

f

fcpmax .

Do đó, tần số là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng.

2. Công suất phản kháng cân bẳng khi điện áp các nút của hệ thống điện
nằm trong giới hạn cho phép Ucpmin

U

Ucpmax .

Do đó, điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng.

Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, vì ở khắp mọi nơi
tần số đều có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện chỉ cần điều
chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại sự cân bằng công suất phản
kháng mang tính chất cục bộ. Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp,
không thể thực hiện chung cho toàn hệ thống được.

2.2.2

Các phân loại ổn định của hệ thống điện

Theo cách phân loại của Liên Xô cũ, các quá trình ổn định của hệ thống điện có
thể chia thành 2 loại gồm: ổn định tĩnh (Steady-state stability) và ổn định động
(Transient stability) dựa vào nguồn gốc của kích động.
Ổn định tĩnh:
Khả năng của hệ thống điện để duy trì sự cân bằng công suất khi chịu các kích
động nhỏ (thay đổi phụ tải, nguồn với biên độ nhỏ và sự hoạt động của các
cơ cấu điều chỉnh như đầu phân áp. . . ) Các kích động nhỏ này xảy ra thường
xuyên, liên tục phá vỡ sự cân bằng công suất.


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

10

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Như vậy ổn định tĩnh là điều
kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.
Ổn định động:
Hệ thống điện chịu những kích động lớn: đóng cắt các nguồn, trung tâm phụ tải
lớn, thay đổi cấu trúc lưới truyền tải và các sự cố. . . Các kích động lớn này có
đặc điểm là biên độ dao động lớn, tần suất xảy ra thấp.
Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Như vậy ổn định động là điều
kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài.
Theo các cách phân loại mới [1, 2], các quá trình ổn định có thể được chia thành
3 loại chính như sau:

• Ổn định góc lệch: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng các máy

phát trong hệ thống điện duy trì được góc đồng bộ tương đối giữa chúng.
Việc mất ổn định góc lệch sẽ dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ của các máy
phát. Theo phân loại trong [1, 2], ổn định góc lệch được chia thành hai loại:
Ổn định góc lệch với kích động lớn, còn gọi là ổn định quá độ (Transient
rotor angle stability), và ổn định góc lệch với kích động nhỏ (Small signal
rotor angle stability). Theo cách giải thích trong các tài liệu của phương
Tây, ổn định góc lệch phụ thuộc vào hai đại lượng là mô men đồng bộ và
mô men cản [11]. Việc thiếu hụt mô men đồng bộ sẽ dẫn đến các máy phát
bị mất ổn định theo dạng phi chu kỳ. Khi mô men cản yếu hoặc âm, cac


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

11

máy phát điện sẽ xuất hiện dao động không tắt, đây là dạng mất ổn định
dao động.
• Ổn định điện áp: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng HTĐ duy

trì điện áp tại các nút trong và sau các kích động lớn và nhỏ. Trên nguyên
tắc, ổn định điện áp có thể xảy ra trong các quá trình quá độ ngắn hạn,
nếu cấu trúc HTĐ có các động cơ lớn. Đối với các HTĐ lớn, quá trình mất
ổn định điện áp thường có nguyên nhân từ sự sụt giảm từ từ của độ dự trữ
công suất phản kháng, sự quá tải của hệ thống kích từ các máy phát và sự
làm việc của các máy biến áp có điều áp dưới tải. IEEE [2] đề xuất không
sử dụng thuật ngữ ổn định quá độ (Transient Stability) để mô tả các quá
trình mất ổn định điện áp. Vì vậy, thuât ngữ này được thống nhất dùng
để chỉ các ổn định góc lệch trong thời gian ngắn hạn.
• Ổn định tần số: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng của hệ thống

đáp ứng được cân bằng giữa công suất tác dụng của các máy phát và công
suất yêu cầu của phụ tải. Việc duy trì ổn định tần số phụ thuộc vào khả
năng điều khiển tần số các máy phát điện, vào mức độ dự phòng nóng khi
tính toán phương thức vận hành, cũng như vào việc chỉnh định các rơ le
sa thải phụ tải.

Trong khuôn khổ luận văn này, hiện tượng mất ổn định góc lệch trong ngắn
hạn, hay còn gọi là ổn định quá độ sẽ được nghiên cứu chi tiết. Các nội dung lý
thuyết cơ bản của ổn định quá độ sẽ được trình bày trong phần sau.


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

12

Ổn định hệ
thống điện

Ổn định góc
lệch

Ổn định dao
động nhỏ

Ổn định tần số

Ổn định quá
độ

Ngắn hạn

Ngắn hạn

Dài hạn

Ổn định điện
áp

Tác động lớn

Tác động nhỏ

Ngắn hạn

Dài hạn

Hình 2.1: Phân loại các quá trình ổn định [1, 2]

.

2.3

Đánh giá ổn định quá độ bằng phương pháp
cân bằng diện tích

2.3.1

Phương trình mô tả chuyển động quay của máy
phát

Xét máy phát điện đồng bộ, tua bin tác động một mômen cơ Tm lên trục của
máy phát, và máy phát sẽ tạo ra mômen điện Te . Nếu do một kích động, mômen
cơ học lớn hơn mômen điện, thì sẽ tạo ra một mômen tăng tốc Tacc :
Tacc = Tm − Te

(2.4)


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

13

Giả sử bỏ qua ma sát, mômen Tacc sẽ tăng tốc độ quay của máy phát:
J

dωm
= Tacc = Tm − Te
dt

(2.5)

trong đó, t(s): thời gian, ωm : vận tốc góc của rotor máy phát (rad/s cơ), J :
mômen quán tính của tua bin và roto máy phát (kg.m2 ).
Thông thường, phương trình (2.5) được biểu diễn theo hằng số quán tính H của
máy phát.Gọi ω0m là vận tốc góc đồng bộ (rad/s cơ), Srated là công suất định
mức của máy phát, J có thể được viết thành:

J=

2H
Srated
2
ω0m

(2.6)

Thay vào phương trình (2.5), ta có:
2H
dωm
Srated
= Tm − Te
2

dt
ω0m

(2.7)

Gọi ωr (rad/s điện) là vận tốc góc của roto máy phát và ωo (rad/s điện) là vận
tốc góc đồng bộ, phương trình (2.7) được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối:
2H dωr
= Tm − Te
ω02 dt

(2.8)


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

14

mà
dωr d2 δ
= 2
dt
dt

(2.9)

P
ω0

(2.10)

T =

trong đó, δ (rad điện) là góc quay tương đối của roto so với hệ quy chiếu trục
quay với tốc độ đồng bộ ω0 , P là công suất.
Thay phương trình (2.9) và (2.10) vào phương trình (2.8), ta được phương trình
mô tả chuyển động quay của roto máy phát:
2H d2 δ
= Pm − Pe
ω0 dt2

(2.11)

Số hạng (-KD ∆ωr ) có thể được thêm vào vế phải của phương trình (2.11) để
tính đến thành phần mômen cản do ma sát.

2.3.2

Phương pháp cân bằng diện tích

Bằng cách kết hợp phương trình mô tả chuyển động quay của roto máy phát với
đồ thị công suất - góc, ta có thể minh họa các khái niệm của ổn định động sử
dụng phương pháp cân bằng diện tích.
Xét sự thay đổi công suất cơ đầu vào của máy phát được biểu thị trên hình 2.2


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

15

Hình 2.2: Đồ thị đặc tính công suất máy phát theo góc áp dụng phương pháp
cân bằng diện tích.

Ở công suất cơ ban đầu Pm0 , δ = δ0 và hệ thống làm việc tại điểm a. Khi công
suất cơ tăng lên tới Pm1 (công suất tăng tốc = Pm1 - Pm0 ), roto không thể tăng
tốc ngay lập tức, điểm làm việc sẽ dịch trên đường cong công suất-góc về điểm
b tại thời điểm Pe = Pm1 và công suất tăng tốc bằng 0. Tuy nhiên, vận tốc roto

khi đó lớn hơn vận tốc đồng bộ nên góc sẽ tiếp tục tăng lên. Tại phía trên điểm
làm việc b thì Pe > Pm và roto giảm tốc cho đến khi góc quay roto đạt giá trị
lớn nhất δm và bắt đầu trở về điểm làm việc b.
Với hệ thống một máy phát đẳng trị - thanh cái vô cùng lớn, đồng thời máy
phát điện được mô tả bằng hệ phương trình bậc 2 đơn giản, thì không cần thiết
phải thực hiện phương pháp tích phân số giải phương trình (2.11). Phương pháp
cân bằng diện tích cho phép xác định ổn định của hệ thống dựa trên đồ thị đặc
tính công suất máy phát theo góc.