Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống điện trong thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH
HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG THỜI GIAN THỰC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH
HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG THỜI GIAN THỰC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 62.52.02.02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Ngô Văn Dưỡng
2. GS. TS Lê Kim Hùng

Đà Nẵng - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Phạm Văn Kiên


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................x
TRANG THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN.....................................................................xi
DISSERTATION INFORMATION .................................................................... xiii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................4
5. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 8
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................8

CHƯƠNG 1

10

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH VÀ
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HTĐ ...........................................................................10
1.1. Mở đầu ...............................................................................................................10
1.2. Các phương pháp tính toán, phân tích và đánh giá ổn định HTĐ ......................12
1.2.1. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn năng lượng .................................13
1.2.2. Đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov ............................................15
1.2.3. Phương pháp phân tích đường cong PV và QV .......................................17
1.2.4. Phương pháp phân tích độ nhạy VQ (VQ Sensitivity Analysis) và phân
tích trạng thái QV (QV Modal Analysis) ...........................................................21
1.2.5. Phương pháp đánh giá theo chỉ số ổn định ...............................................24
1.2.6. Các tiêu chuẩn thực dụng Markovits ........................................................28
1.3. Đề xuất phương pháp nghiên cứu ......................................................................30


iii

1.4. Kết luận chương .................................................................................................36
CHƯƠNG 2

37

PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MIỀN LÀM VIỆC CHO PHÉP THEO ĐIỀU
KIỆN GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRONG MẶT PHẲNG CÔNG SUẤT .................37
2.1. Mở đầu ...............................................................................................................37
2.2. Phương pháp tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ .......................................................38
2.2.1. Hệ phương trình trạng thái HTĐ ở chế độ xác lập ...................................38

2.2.2. Đề xuất phương pháp GMAT để tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ ..............41
2.3. Chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ sử dụng phương pháp GEMAT .............44
2.3.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình ................................................44
2.3.2. Chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ .............................................46
2.4. Xây dựng miền làm việc ổn định trong MPCS của HTĐ phức tạp ...................50
2.5. Xây dựng chương trình miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định
điện áp trong mặt phẳng công suất ............................................................................59
2.5.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình miền làm việc cho phép theo
điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong mặt phẳng công suất ..........................59
2.5.2. Xây dựng chương trình miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn
ổn định điện áp trong mặt phẳng công suất ........................................................61
2.5.3. Đánh giá độ tin cậy của chương trình .......................................................63
2.6. Kết luận chương .................................................................................................69
CHƯƠNG 3

71

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN THEO
CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH ......................................................................................71
3.1. Mở đầu ...............................................................................................................71
3.2. Tính chất ngẫu nhiên của các thông số vận hành và cấu trúc HTĐ ...................73
3.2.1. Hàm phân phối nhị thức (Binomial Distribution).....................................74
3.2.2. Hàm phân phối Poisson (Poisson Distribution)........................................74
3.2.3. Hàm phân phối chuẩn (Normal Distribution) ...........................................75
3.2.4. Hàm Weibull............................................................................................. 77


iv

3.3. Phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép trong MPCS theo các thông tin

bất định của HTĐ ......................................................................................................77
3.3.1. Thuật toán xây dựng miền làm việc cho phép trong MPCS theo các thông
tin bất định của HTĐ ..........................................................................................77
3.3.2. Phương pháp xác định số điểm cắt đường đặc tính giới hạn ....................80
3.4. Xây dựng chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm trong MPCS của
công suất nút phụ tải .................................................................................................81
3.4.1. Xây dựng chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm ....................81
3.4.2. Áp dụng tính toán cho sơ đồ IEEE 39 nút ................................................84
3.5. Kết luận chương .................................................................................................90
CHƯƠNG 4

92

ÁP DỤNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH CHO HTĐ
500KV VIỆT NAM THEO CÁC YẾU TỐ BẤT ĐỊNH ........................................92
4.1. Hiện trạng và tổng thể quy hoạch HTĐ 500kV Việt Nam đến 2025 .................92
4.1.1. Hiện trạng vận hành HTĐ 500kV ............................................................92
4.1.2. Quy hoạch HTĐ 500kV đến 2025 ............................................................94
4.2. Thông số vận hành các TBA 500kV Việt Nam .................................................96
4.2.1. Thực trạng Cung – Cầu điện năng ............................................................96
4.2.2. Thu thập, xử lý số liệu và xác định qui luật ngẫu nhiên của công suất các
nút phụ tải ...........................................................................................................98
4.3. Xây dựng bộ số liệu ngẫu nhiên công suất P, Q cho các nút phụ tải tại các TBA
500kV

....................................................................................................................98

4.4. Áp dụng để tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất phụ tải
trong MPCS cho HTĐ 500kV Việt Nam ................................................................100
4.4.1. Sơ đồ HTĐ ..............................................................................................100

4.4.2. Thông số các phần tử của hệ thống ........................................................100
4.4.3. Chọn chế độ vận hành cơ bản .................................................................100
4.4.4. Áp dụng để tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất
phụ tải trong MPCS cho HTĐ 500kV Việt Nam .............................................102


v

4.5. Phân tích, đánh giá mức độ ổn định của HTĐ 500kV Việt Nam ....................105
4.6. Kết luận chương ...............................................................................................109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

111

1. Kết luận ...............................................................................................................111
2. Kiến nghị .............................................................................................................113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

2

PHỤ LỤC

i

Phụ lục 1: So sánh kết quả tính toán, phân tích ổn định cho sơ đồ IEEE39 nút ..........i
Phụ lục 2: Tổng trở các nhánh đường dây và máy biến áp sơ đồ IEEE39 nút ...........v

Phụ lục 3: Kết quả phân tích các số liệu thống kê phụ tải tại các TBA 500kV Việt
Nam 2016 ...................................................................................................................vi
Phụ lục 4: Thông số HTĐ 500kV Việt Nam ......................................................... xxiii
Phụ lục 5: Kết quả tính toán phân tích áp dụng cho HTĐ 500kV Việt Nam đến 2025
.................................................................................................................................xxx
Phụ lục 6: Các mã code chính sử dụng trong luận án ................................................ li


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐTSĐ

Đẳng trị sơ đồ

ĐZ

Đường dây

EVNNPT

Tổng công ty truyền tải điện quốc gia

GDP

Gross Domestic Product

GIS

Gas Insulation Switchgear

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

MFĐ

Máy phát điện

MLVOĐ

Miền làm việc ổn định

MPCS

Mặt phẳng công suất

NCKH

Nghiên cứu khoa học

NCSS

Phần mềm thống kê của hãng NCSS

PS

Power system

PSS/ADEPT

Power System Simulator / Advanced Distribution Engineering
Productivity Tool

PSSE

Power System Simulator for Engineering

R

Phần mềm thống kê mã nguồn mở

SAS

Statistical Analysis Systems

SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition

SPSS

Statistical Product and Services Solutions

TBA

Trạm biến áp

TĐK

Tự động điều chỉnh kích từ máy phát điện

SCA

Siêu cao áp


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.

Các bài báo công bố quốc tế về ổn định HTĐ từ 1950-2017 (theo Google
Scholar)

5

Hình 1.1. Mô hình HTĐ đơn giản (a) và đặc tính công suất của Tuabin-MFĐ (b)
13
Hình 1.2. Mô hình HTĐ tại nút phụ tải (a) và đặc tính công suất phản kháng các
máy phát và phụ tải (b)

14

Hình 1.3. Sơ đồ thay thế HTĐ của hình 1.1

17

Hình 1.4. Đường đặc tính PV xét với các dạng tải và cos2 khác nhau [2]

18

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản (a) và sơ đồ tính toán phân tích (b).

19

Hình 1.6. Đường cong QV ứng với các chế độ vận hành khác nhau [2]

19

Hình 1.7. Mô hình đường dây truyền tải

25

Hình 1.9. PVSM theo công suất phụ tải tại nút j xét cho sơ đồ IEEE 14 nút

27

Hình 1.8. Mô hình HTĐ nối với nút j (a) và sơ đồ thay thế tương đương (b)

27

Hình 1.10. Sơ đồ HTĐ có cấu trúc bất kỳ (a) và sơ đồ đẳng trị hình tia (b)

31

Hình 1.11. Miền làm việc cho phép trong MPCS xét ở chế độ bình thường (a) và chế
độ nặng nề nhất (b)

32

Hình 1.12. Miền làm việc cho phép trong MPCS xét đến các yếu tố bất định của HTĐ
34
Hình 2.1. Sơ đồ đẳng trị HTĐ (a) và miền làm việc ổn định của công suất phụ tải
trong MPCS (b)

38

Hình 2.2. Sơ đồ thay thế tương đương HTĐ IEEE 9 nút (a) và sơ đồ đẳng trị về nút
phụ tải cần quan tâm (b)
Hình 2.3. Kết quả tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ dùng phương pháp GEMAT

41
44

Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán đẳng trị sơ đồ thay thế HTĐ dùng phương pháp
GEMAT
Hình 2.5. Giao diện chương trình tính đẳng trị sơ đồ.

45
47

Hình 2.6. Giao diện nhập thông tin nút (a), nhánh ĐZ (b), MBA (c) và thiết bị bù


viii

(d)

47

Hình 2.7. Mở sơ đồ HTĐ đã có sẵn trong cơ sở dữ liệu

48

Hình 2.8. Giao diện nhập Thông tin về các phần tử của HTĐ vào thư viện

49

Hình 2.9. Giao diện database (a) và sơ đồ nguyên lý của HTĐ(b)

49

Hình 2.10. Bảng kết quả tính đẳng trị của HTĐ

50

Hình 2.11. Sơ đồ đẳng trị hình tia của HTĐ có F nguồn cung cấp.

51

Hình 2.12. Thuật toán tính toán và xây dựng miền làm việc nguy hiểm

60

Hình 2.13. Giao diện chương trình (a) và đường cong giới hạn ổn định tĩnh (b) cho

sơ đồ IEEE 39 nút

61

Hình 2.14. Kết quả tính toán tại nút 25 sơ đồ IEEE 39 nút khi phụ tải làm việc trong
vùng ổn định (a) và cách xác định hệ số dự trữ ổn định tĩnh (b)

62

Hình 2.15. Sơ đồ HTĐ IEEE 9 nút

63

Hình 2.16. Giao diện chương trình tính toán cho sơ đồ IEEE 9 nút

65

Hình 2.17. Bảng hiển thị và hai khối chứa các thiết bị mô phỏng

67

Hình 2.18. Giao diện màn hình giám sát trên máy tính kết nối với mô hình

67

Hình 2.19. Miền làm việc ổn định trong MPCS P-Q xét tại nút 5

68

Hình 3.1. Miền làm việc cho phép trong MPCS theo tiêu chuẩn ổn định dQ/dU<0

khi không xét đến yếu tố bất định (a) và xét đến yếu tố bất định (b)

72

Hình 3.2. Đồ thị hàm mật độ hàm phân phối Gaussian

75

Hình 3.3. Các điểm cắt do đoạn OM3 tạo ra trong vùng nguy hiểm

78

Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán xây dựng miền làm việc ổn định của công suất phụ tải
trong MPCS khi xét đến yếu tố bất định

79

Hình 3.5. Xác định tọa độ điểm cắt trong vùng nguy hiểm

81

Hình 3.6. Giao diện của chương trình

82

Hình 3.7. Giao diện nhập số liệu Nút, nhánh DZ và nhánh MBA

82

Hình 3.8. Giao diện nhập số ngẫu nhiên

82

Hình 3.9. Kết quả tính toán các đại lượng thay thế

83

Hình 3.10. Kết quả ma trận trạng thái của HTĐ IEEE 39 nút

83

Hình 3.11. Sơ đồ HTĐ IEEE 39 Nút

84


ix

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý HTĐ IEEE 39 Nút

88

Hình 3.13. Vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải 25

88

Hình 4.1. Sơ đồ hiện trạng HTĐ 500kV Việt Nam tính đến tháng 8/2017

93

Hình 4.2. Sơ đồ quy hoạch HTĐ 500kV Việt Nam giai đoạn 20162025

95

Hình 4.3. Biểu đồ phụ tải điển hình ngày từ Thứ 2 đến Chủ nhật năm 2016

96

Hình 4.4. Biểu đồ năng lượng ngày các tháng của HTĐ quốc gia

97

Hình 4.5. Tình hình nguồn cung điện tại Việt Nam giai đoạn 2001-2016 và dự
phòng theo quy hoạch điện VII đến 2030

97

Hình 4.6. Giao diện nhập thông tin hệ thống của chương trình

102

Hình 4.7. Giao diện nhập số liệu Nút, nhánh DZ và nhánh MBA

103

Hình 4.8. Giao diện nhập số ngẫu nhiên

104

Hình 4.9. Kết quả ma trận trạng thái của HTĐ 500kV Việt Nam

104

Hình 4.10. Một phần giao diện sơ đồ nguyên lý HTĐ 500kV Việt Nam giai đoạn
2016-2025
Hình 4.11. Miền làm việc ổn định xét cho nút phụ tải TBA 500kV Đà Nẵng

105
106


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Số liệu thông tin nút sơ đồ IEEE 9 nút

64

Bảng 2.2. Số liệu thông tin nhánh sơ đồ IEEE 9 nút

64

Bảng 2.3. Bảng kết quả tính toán phân tích các kịch bản vận hành

66

Bảng 3.1. Thông số thay thế của kháng điện và tụ bù

84

Bảng 3.2. Công suất phát và điện áp đầu cực các máy phát điện

85

Bảng 3.3. Công suất phụ tải

85

Bảng 3.4. Số liệu phụ tải tại các nút của sơ đồ IEEE 39Nút

87

Bảng 4.1. Sản lượng điện năng thương phẩm năm 2015, 2016 [60]

96

Bảng 4.2. Kết quả số liệu giá trị kỳ vọng trung bình  và độ lệch chuẩn 

99

Bảng 4.3. Công suất nguồn phát và điện áp đầu cực thanh cái các TBA

101

Bảng 4.4. Công suất phụ tải ở chế độ xác lập

101

Bảng 4.5. Bảng tổng hợp kết quả tính toán các giới hạn ổn định tại các nút phụ tải của
HTĐ 500kV Việt Nam giai đoạn đến 2025

108


xi

TRANG THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN
Tên đề tài luận án: Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống điện trong thời
gian thực
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62.52.02.02
Họ và tên nghiên cứu sinh: Phạm Văn Kiên
Khóa đào tạo: 24
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Ngô Văn Dưỡng
2. GS. TS Lê Kim Hùng
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN
Trên cơ sở mục đích nghiên cứu đã đặt ra, luận án “Nghiên cứu giám sát
ổn định hệ thống điện trong thời gian thực” đã có những đóng góp mới trong
lĩnh vực nghiên cứu ổn định điện áp, cụ thể như sau:
- Đề xuất phương pháp tính toán đẳng trị sơ đồ GEMAT: có thể đẳng trị
sơ đồ HTĐ bất kỳ về dạng sơ đồ thay thế đơn giản. Kết quả tính toán của
phương pháp đề xuất GEMAT có thể dùng để áp dụng cho bài toán ngắn mạch,
giải tích mạng điện và tính toán ổn định.
- Xây dựng chương trình tính toán xác định miền làm việc cho phép theo
điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong MPCS: Chương trình cho phép tính toán
cho các HTĐ phức tạp và đã được áp dụng tính toán cho HTĐ IEEE 39 nút.
Kết quả cho thấy chương trình tính toán hoàn toàn có thể thực hiện tính toán
theo các thông số vận hành.
- Đề xuất áp dụng một số hàm xác suất thống kê đặc trưng để khảo sát,

phân tích và tạo ra bộ số liệu ngẫu nhiên phù hợp với sự thay đổi của các thông
số vận hành của HTĐ như phụ tải, xác suất sự cố của các phần tử, yếu tố bất
định về nguồn: Từ các tính chất của các hàm xác suất thống kê như phân phối


xii

nhị thức; phân phối Poisson; phân phối chuẩn và hàm Weibull, và qua phân
tích các phần mềm hỗ trợ phân tích và tạo bộ số liệu ngẫu nhiên, luận án đề
xuất sử dụng phần mềm SPSS của hãng IBM để xây dựng bộ số liệu ngẫu nhiên
cho công suất tại các nút phụ tải.
- Xây dựng chương trình tính toán xác định vùng làm việc nguy hiểm
theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong mặt phẳng công suất: Chương trình
có thể cập nhật và xử lý số liệu; mô phỏng sơ đồ HTĐ; tính toán xác định vùng
làm việc nguy hiểm; đánh giá mức độ nguy hiểm ứng với trạng thái vận hành
của công suất nút phụ tải.
- Ứng dụng chương trình tính toán xác định miền làm việc cho phép theo
điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trong MPCS để áp dụng cho HTĐ Việt Nam
500kV giai đoạn đến 2025 có xét đến các yếu tố bất định của phụ tải.
Đà Nẵng, ngày 30 tháng 10 năm 2018
Tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh
PGS. TS Ngô Văn Dưỡng:

GS. TS Lê Kim Hùng:

Phạm Văn Kiên


xiii

DISSERTATION INFORMATION
Dissertation title: Study on Monitoring of Power System Stability in RealTime
Specialization: Electrical Engineering

Code No.: 62.52.02.02

Name of Ph.D. Student: Pham Van Kien
Course: 24
Supervisor 1: Assoc. Prof. Ph.D. Ngo Van Duong
Supervisor 2: Prof. Dr. Le Kim Hung
Training Institution: University of Science and Technology - The University of
Danang.
SUMMARY OF NEW CONTRIBUTIONS OF THE DISSERTATION
Based on the research objectives set out, the thesis "Study on monitoring
of power system stability in real-time" has multiple contributions in research of
voltage stability as follows:
- Propose an equivalent method of GEMAT calculation: An arbitrary
power system network can be represented by a simplified equivalent circuit.
Results of the proposed GEMAT calculation method can be applied to calculate
power system analysis, faults and stability.
- Build a simulation program to evaluate the allowed operational region
of power systems according to the static stability limitation in power plane:
This program can analyze multiscale power system networks and has been used
to analyze the IEEE 39Bus power network. The simulated results show that the
program can be used to analyze any practical power networks with real
operational parameters.
- Propose unique probability functions to monitor, analyze and generate
appropriate operational parameters such as loads, fault probability of elements

xiv

and generator’s instability factors adapted to power system changes: Based on
the results of supported software analysis on operational parameters and
multiple probability’s functions such as the binomial distribution, Poisson’s
distribution, standard distribution and the Weibull function, the software of
SPSS from IBM is suitable to build the random parameters of load power at
any node in the analyzed power system.
- Build a program to calculate the dangerous operational regions of
power system according to the limitation condition of static stability in the
plane of power: This program can be updated and analyzed the system’s
parameters, modeled the power system networks; calculate the dangerous
operational regions of power system networks; evaluate level of danger
according to operational conditions of load power.
- Apply the simulation program of evaluating the allowed operational
region of power systems according to the static stability limitation in power
plane to evaluate the 500kV power system of Vietnam in 2025 phase with
instability factors of loads.
Da Nang, February 10, 2018
Academic Supervisors

Ph.D. Student

Assoc. Prof. Ph.D. Ngo Van Duong:

Prof. Dr. Le Kim Hung:

Pham Van Kien

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong bối cảnh hiện nay để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của phụ tải điện
và an ninh năng lượng để ổn định phát triển kinh tế, nhiều loại hình nhà máy
điện đã và đang được xây dựng và đấu nối vào làm việc trong hệ thống điện
(HTĐ). Bên cạnh đó cấu trúc của hệ thống điện ngày càng phức tạp: số nút tăng
lên, vận hành mạch vòng kín,… Trong quá trình vận hành, trào lưu công suất
trên các đường dây truyền tải thường xuyên thay đổi theo sự thay đổi của phụ
tải tiêu thụ và công suất phát của các nhà máy điện. Khi công suất truyền tải
vượt quá giới hạn cho phép sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp và nặng nề hơn sẽ gây
mất ổn định và tan rã HTĐ. Trên thế giới có rất nhiều nước đã xảy ra sự cố tan
rã HTĐ liên quan đến ổn định của hệ thống, ví dụ gần đây về vấn đề ổn định
điện áp đã xảy ra các sự cố được đánh giá rất nghiêm trọng vào năm 2003 tại
Mỹ - Canada và Ý. Sự cố mất điện tại Mỹ - Canada ảnh hưởng đến một khu
vực khoảng 50 triệu khách hàng với sản lượng công suất bị cắt khoảng 61,8
MW trong gần hai ngày. Ước tính tổng thiệt hại khoảng từ 4 đến 10 tỷ đô la
Mỹ. Tại Canada là một khoản lỗ ròng với khoảng 18,9 triệu giờ làm việc, và
các lô hàng sản xuất tại Ontario đã giảm 2,3 tỷ đô la Canada [1]. Ở Việt Nam,
theo thống kê trong thời gian qua trên HTĐ 500kV Việt Nam đã có nhiều sự cố
mất điện lớn, diện rộng có liên quan hiện tượng dao động công suất lớn, mất
ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp xảy ra vào các ngày 17/05/2005,
27/12/2006, 04/09/2007, 29/03/2009, 18/06/2009, 25/07/2009, 08/07/2010 và
22/5/2013 [2], [3]. Như vậy các sự cố sụp đổ HTĐ đều gây ra các vấn đề xã hội
và tổn thất kinh tế nghiêm trọng, chi phí rất lớn.
Bên cạnh đó, sự gia tăng liên tục nhu cầu của phụ tải điện đáp ứng yêu cầu
phát triển của nền kinh tế đã khiến cho HTĐ vận hành gần hơn với giới hạn

2

công suất cực đại nên tần suất mất ổn điện áp xảy ra nhiều hơn. Hơn nữa, HTĐ
ngày nay khi kết nối thêm các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời, công
suất phát của các nguồn này rất phức tạp, luôn biến đổi rất nhanh và chứa các
yếu tố bất định. Để đảm bảo cho HTĐ vận hành an toàn, ngoài việc tính toán
các chỉ số ổn định khi xây dựng các kịch bản vận hành ở chế độ offline thì trong
quá trình vận hành ở thời gian thực (Real-time) cần phải tính toán, đánh giá và
giám sát được mức độ ổn định của HTĐ tương ứng với các trạng thái vận hành
khác nhau để có giải pháp xử lý kịp thời đảm bảo HTĐ vận hành an toàn. Đánh
giá khả năng ổn định của HTĐ đã có nhiều công trình nghiên cứu được công
bố trong và ngoài nước, tuy nhiên mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất
định. Trên cơ sở đó luận án lựa chọn “Nghiên cứu giám sát ổn định hệ thống
điện trong thời gian thực” với mong muốn tìm phương pháp tính toán phân
tích ổn định phù hợp, tích hợp được các yếu tố bất định vào quá trình tính toán
với thời gian đảm bảo đủ nhanh. Kết quả đạt được của luận án sẽ cung cấp cho
các nhân viên vận hành một công cụ giám sát, đánh giá mức độ ổn định HTĐ,
đồng thời khi sử dụng hệ thống SCADA để cung cấp thông tin về thông số vận
hành của HTĐ kết hợp với mô hình mô phỏng cho phép tìm kiếm được giải
pháp phù hợp nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ tương ứng với các
chế độ vận hành khác nhau.

2. Mục đích nghiên cứu
Xuất phát từ các vấn đề đã đặt ra, luận án chủ yếu giải quyết các vấn đề
có liên quan đến nội dung về phân tích các phương pháp đánh giá ổn định HTĐ,
từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp để giám sát ổn định điện áp tại nút phụ
tải theo chế độ vận hành. Xây dựng chương trình giám sát ổn định HTĐ thông
qua miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp dựa vào
thông tin đo lường, cụ thể như sau:

3

-

Nghiên cứu đề xuất phương pháp đơn giản hóa sơ đồ HTĐ từ sơ đồ

phức tạp về dạng sơ đồ đơn giản phục vụ cho bài toán đánh giá ổn định HTĐ;
- Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán xác định nhanh miền
làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong MPCS nút phụ
tải;
- Phân tích lựa chọn phương pháp xác định các hàm ngẫu nhiên của các
thông số vận hành trên cơ sở bộ số liệu thu thập được từ thực tế vận hành trong
thời gian quá khứ;
- Trên cơ sở đó xây dựng chương trình giám sát ổn định điện áp trong
mặt phẳng công nút phụ tải theo các yếu tố bất định của nguồn, tải và cấu trúc
lưới;
- Chương trình có thể lấy dữ liệu từ hệ thống SCADA để tiếp nhận thông
tin về thông số vận hành của HTĐ sẽ tạo ra công cụ cho phép giám sát ổn định
điện áp của HTĐ theo công suất nút phụ tải trong thời gian thực.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
-

Các phương pháp tính toán phân tích và đánh giá ổn định của HTĐ;

- Các yếu tố bất định của các nguồn phát và phụ tải, xác suất sự cố trên
các đường dây truyền tải, máy biến áp;

- Phương pháp đẳng trị sơ đồ theo thuật toán loại trừ Gauss, các phương
pháp biến đổi ma trận;
- Tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU để đánh giá khả năng ổn định điện áp theo
sự thay đổi của công suất nút phụ tải.
b. Phạm vi nghiên cứu
Sử dụng tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU và phương pháp đẳng trị sơ đồ để
tính toán xây dựng thuật toán xác định đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải


4

theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp [4]. Trên cơ sở đó tính toán xây dựng
chương trình xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải theo
điều kiện giới hạn ổn định điện áp. Áp dụng tính toán xây dựng chương trình
giám sát ổn định điện áp tại các nút phụ tải của HTĐ Việt Nam giai đoạn đến
năm 2025, có xét đến các yếu tố ngẫu nhiên của công suất nút phụ tải.

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
a. Cách tiếp cận
❖ Trong nước
Đối với Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu đánh giá ổn định của HTĐ đã có
các công trình khoa học được nghiên cứu và công bố, trong đó có thể kể đến
các công trình tiêu biểu sau:
- Các công trình của GS. TS. Lã Văn Út cùng nhóm cộng sự đã nghiên
cứu, tính toán đánh giá ổn định cho đường dây truyền tải 500kV Bắc – Nam,
trước khi đóng điện hòa vào HTĐ Việt Nam. Đồng thời các kết quả tính toán
đề xuất một số giải pháp nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ Việt Nam [4],
[5];
- Phân tích nhanh tính ổn định và xác định giới hạn truyền tải công suất
trong HTĐ hợp nhất có các đường dây siêu cao áp, năm 2002 của tác giả Ngô

Văn Dưỡng [4];
- Điều khiển nâng cao ổn định của HTĐ nhằm áp dụng cho hệ thống Việt
Nam 2005 của tác giả Nguyễn Bê [6];
- Tính toán phân tích ổn định động của HTĐ Việt Nam theo mô hình chi
tiết có xét đến khả năng ứng dụng TCSC, năm 2006 của tác giả Thạch Lễ Khiêm
[7];
- Nghiên cứu áp dụng các phương pháp và phương tiện điều khiển để
nâng cao ổn định và làm việc tin cậy của HTĐ, năm 2009 của tác giả Lã Minh


5

Khánh [8];
- Nghiên cứu ổn định điện áp để ứng dụng trong HTĐ Việt Nam, năm
2012 của tác giả Lê Hữu Hùng [2].
❖ Ngoài nước:
Từ kết quả thống kê về các bài báo công bố trên các tạp chí quốc tế có uy
tín bởi trang Google Scholar (hình 1) cho thấy đã có nhiều công trình nghiên
cứu được công bố về nghiên cứu đánh giá ổn định, cũng như mức độ ổn định
của HTĐ tương ứng với các chế độ vận hành. Nhìn chung, các công trình nghiên
cứu về ổn định HTĐ nói chung và ổn định điện áp nói riêng thường sử dụng
các phương pháp phổ biến sau:
- Phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng;
- Phương pháp dao động bé (A. M. Lyapunov);
- Tính toán bằng các chương trình phân tích chế độ xác lập (CĐXL)
thông qua tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ Gidanov;
20000
18000
16000
14000

12000
10000
8000
6000
4000
2000
0

17500
14700

4790
115 11

238 0

675

8

1290
47

1950

2700

459

1950-1960 1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2010 2011-2017

Power system Stability

Voltage Stability

Hình 1. Các bài báo công bố quốc tế về ổn định HTĐ từ 1950-2017 (theo
Google Scholar)
- Tính hệ số tắt dần và tần số dao động riêng của các tổ máy tương ứng
với phần thực, phần ảo các nghiệm phương trình đặc trưng của hệ phương trình
vi phân mô tả quá trình quá độ [9], [10];


6

- Đánh giá bằng các phương pháp trực tiếp phân tích ổn định HTĐ dựa
trên các chỉ số TSC (Transient Stability Index) như: VSLI, VCPI, VSI, PVSM,
LQP, LASSO, ISI [11]–[20];
- Phương pháp FSQV (Full Sum QV) kết hợp ANN (Artificial Neural
Networks) [20], [21];
- Sử dụng các tiêu chuẩn thực dụng của Markovits để xây dựng miền làm
việc cho phép trong MPCS theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh, qua đó đánh
giá mức độ ổn định của HTĐ theo chế độ vận hành [4], [5], [22], [23];
- Ứng dụng các phương pháp phân tích đường cong PV, QV để đánh giá
độ dự trữ ổn định điện áp [2], [18], [24], [25].
b. Phương pháp nghiên cứu
Luận án nghiên cứu ổn định của HTĐ trong các chế độ làm việc bình
thường cũng như các chế độ sau sự cố. Thực chất đó là khái niệm ổn định trạng
thái cân bằng hệ thống theo Lyapunov [4]. Mô hình HTĐ thuộc về lớp các mô
hình phi tuyến. Vì vậy phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov từ lâu đã
được coi là cơ sở đủ mạnh và thích hợp ứng dụng cho HTĐ. Khó khăn của
phương pháp này khi áp dụng cho HTĐ là tính phức tạp của mô hình quá trình

quá độ điện cơ diễn ra trong HTĐ. Cũng chính vì thế, trong các điều kiện cụ
thể người ta tìm cách áp dụng các phương pháp và tiêu chuẩn đơn giản hơn.
Tiêu chuẩn mất ổn định dạng phi chu kỳ được áp dụng phân tích ổn định
HTĐ trong các điều kiện vận hành, khi các bộ tự động điều chỉnh kích từ máy
phát điện (MFĐ) và tự động điều chỉnh công suất tua-bin được xác định là đã
được hiệu chỉnh và đang làm việc tốt. Tiêu chuẩn này đòi hỏi cần xét dấu chỉ
riêng số hạng tự do phương trình đặc trưng. Vì thế các phép tính đơn giản hơn
đáng kể. Tuy nhiên, kết quả chủ yếu nhận được khi áp dụng tiêu chuẩn ổn định
phi chu kỳ (cũng như các phương pháp xét dấu đầy đủ nghiệm của phương trình
đặc trưng) chỉ là sự khẳng định hệ thống có bị mất ổn định hay không trong


7

những điều kiện cụ thể. Còn mức độ ổn định như thể nào và sự liên quan của
độ dự trữ ổn định với các yếu tố hệ thống không được thể hiện.
Các tiêu chuẩn thực dụng cho phép thể hiện được quan hệ giới hạn ổn định
và quan hệ của các giới hạn này với các yếu tố hệ thống. Đó là vì các tiêu chuẩn
này thể hiện dưới dạng các bất đẳng thức (dạng dP/d, dQ/dU, dP/ds...). Khi
đến giới hạn bất đẳng thức này trở thành phương trình. Tận dụng ưu điểm này
người ta đưa ra khái niệm về giới hạn ổn định xét theo thông số, và khái niệm
về độ dự trữ ổn định. Luận án cũng đi theo hướng áp dụng các tiêu chuẩn thực
dụng để xét giới hạn ổn định hệ thống. Kết quả đạt được của luận văn nằm trong
các nội dung sau đây:
-

Qua phân tích các phương pháp đánh giá ổn định HTĐ, đề tài lựa chọn

sử dụng tiêu chuẩn thực dụng của Markovit để tính toán. Phương pháp cho phép
tính toán xác định nhanh kết quả phù hợp cho mục đích giám sát HTĐ trong

thời gian thực (Real-time);
- Kết hợp thuật toán loại trừ Gauss với phép biến đổi ma trận để xây dựng
thuật toán và chương trình tính toán đẳng trị sơ đồ HTĐ về dạng hình tia gồm
các nút nguồn và một nút phụ tải quan tâm;
- Sử dụng sơ đồ đẳng trị hình tia và tiêu chuẩn thực dụng dQ/dU để xây
dựng thuật toán và chương trình vẽ đường đặc tính giới hạn công suất nút phụ
tải theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp trong MPCS. So sánh kết quả tính
toán với các phần mềm đang sử dụng để đánh giá độ tin cậy của chương trình;
- Dựa trên cơ sở bộ số liệu thống kế của các thông số vận hành của HTĐ
trong thời gian quá khứ, xây dựng các hàm phân bố ngẫu nhiên cho từng thông
số, từ đó sử dụng phần mềm SPSS để xây dựng bộ số ngẫu nhiên cho các thông
số vận hành của HTĐ [26]–[28];
- Từ bộ số liệu ngẫu nhiên của các thông số vận hành của HTĐ, sử dụng
thuật toán vẽ đặc tính giới hạn công suất nút phụ tải để xây dựng chương trình


8

xác định vùng làm việc nguy hiểm của công suất nút phụ tải trong MPCS;
- Áp dụng xây dựng chương trình giám sát ổn định điện áp cho HTĐ Việt
Nam giai đoạn đến năm 2025 theo các yếu tố bất định của công suất các nút
phụ tải.

5. Nội dung nghiên cứu
Luận án bao gồm 4 chương, phần mở đầu và kết luận.
- Mở đầu.
- Chương 1: Tổng quan về các phương pháp tính toán, phân tích, đánh
giá ổn định của HTĐ.
- Chương 2: Phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép theo điều
kiện giới hạn ổn định trong MPCS.

- Chương 3: Phương pháp đánh giá mức độ ổn định của HTĐ theo các
yếu tố bất định.
- Chương 4: Áp dụng xây dựng chương trình giám sát ổn định cho HTĐ
500kV Việt Nam theo các yếu tố bất định.
- Phần kết luận và kiến nghị.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Kết quả đạt được của luận án sẽ mang lại các đóng góp
về mặt khoa học sau:
- Đề xuất phương pháp đẳng trị sơ đồ HTĐ phức tạp về dạng hình tia
gồm các nút nguồn và một nút phụ tải quan tâm. Phương pháp cho phép áp
dụng để tính toán xây dựng các chương trình tính toán ngắn mạch, phân tích ổn
định;
- Đề xuất phương pháp xác định nhanh đặc tính giới hạn công suất nút
phụ tải trong MPCS theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp. Phương pháp cho
phép xây dựng chương trình giám sát ổn định theo các thông tin đo lường trong


9

thời gian thực;
- Xét đến các yếu tố bất định của các thông số vận hành của HTĐ, đã đề
xuất phương pháp xác định vùng làm việc nguy hiểm trong MPCS nút phụ tải
theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp. Ứng với một trạng thái vận hành của
công suất nút phụ tải và vùng làm việc nguy hiểm cho phép đánh giá mức độ
an toàn của HTĐ. Trên cơ sở đó dễ dàng tìm giải pháp điều chỉnh để nâng cao
độ an toàn vận hành cho HTĐ.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đạt được của luận án sẽ mang lại các đóng góp
về mặt thực tiễn sau:
- Trên cơ sở các phương pháp đề xuất của luận án, kết hợp với các thông

tin đo lường về các thông số vận hành của HTĐ từ hệ thống SCADA có thể xây
dựng các chương trình giám sát mức độ ổn định của HTĐ thực tế. Chương trình
cho phép đánh giá được mức độ ổn định của HTĐ theo các chế độ vận hành
trong thời gian thực;
- Kết hợp chương trình giám sát mức độ ổn định của HTĐ với mô hình
mô phỏng, bằng cách điều khiển các thông số vận hành cho phép tìm giải pháp
điều khiển thông số của HTĐ thực tế để nâng cao khả năng ổn định.