Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích đánh giá an toàn hệ thống điện

..

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

TẠ HỮU HÙNG

CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ
THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội – 2005


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

TẠ HỮU HÙNG

CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN HỆ
THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS-TS: Trần Bách

Hà Nội - 2005


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống điện Việt Nam phát triển không ngừng theo thời gian, mở
rộng theo không gian và ngày càng trở nên phức tạp. Các phụ tải ngày càng
nhiều yêu cầu về chất lượng phục vụ ngày càng cao. Để đáp ứng được những
thay đổi đó việc phân tích hệ thống điện ngày càng trở nên quan trọng. Chúng
ta cần phân tích rất nhiều vấn đề của hệ thống chẳng hạn như ổn định tĩnh, ổn
định động, độ tin cậy, các phương pháp điều chỉnh và vận hành hệ thống…
Một vấn đề quan trọng khác trong phân tích hệ thống điện đó là vấn đề an
tồn hệ thống điện. Phân tích an toàn hệ thống đưa lại cho người thiết kế và
vận hành những khái niệm và chỉ số cụ thể để xem xét và đánh giá hệ thống,
đồng thời từ việc phân tích an tồn cũng đưa lại độ tin cậy cung cấp điện cao
hơn cho các phụ tải nhất là các phụ tải quan trọng trong hệ thống.
Vì vậy trong luận văn của mình tơi đã nghiên cứu đề tài “Các chỉ tiêu
và phương pháp đánh giá an toàn Hệ thống điện” và ứng dụng tính tốn an
tồn điện áp cho lưới truyền tải 220kV Việt Nam năm 2004.
Tuy nhiên do nhiều hạn chế về thời gian, chuyên môn nên luận văn của
tơi khơng tránh khỏi những sai sót. Vì vậy tơi rất mong nhận được những chỉ
dẫn góp ý của các thầy cô giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn của tơi
được hồn thiện hơn.
Tơi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến thầy giáo PGS-TS Trần Bách
bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận
tình giúp đỡ hướng dẫn tơi hồn thành bản luận văn này. Tơi cũng xin giử lời
cảm ơn đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và người thân đã nhiệt tình

giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 25/10/2005
Người thực hiện: Tạ Hữu Hùng

-1-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

MỤC LỤC
Trang
Lời mở đầu

1

Danh mục viết tắt

5

Chương 1: Giới thiệu

6

1.1 Động cơ và mục tiêu

6

1.2 Thành tựu và kết luận của các công trình nghiên cứu trước đây

9

1.3 Mục đích nghiên cứu

10

Chương 2: Lý thuyết chung về an toàn

11

2.1 Giới thiệu chung về an toàn hệ thống điện

12

2.2 An toàn hệ thống điện

14

2.2.1 Khái niệm

14

2.2.2 Phân loại

16

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn trong hệ thống điện

20

2.4 Các phương pháp phân tích sự cố hệ thống điện

21

2.4.1 Phương pháp độ nhạy

23

2.4.2 Phương pháp dịng tải AC

28

Chương 3: Đánh giá an tồn trong hệ thống điện

31

3.1 Đánh giá an toàn tĩnh

31

3.1.1 Phương pháp tiền định

31

3.1.2 Phương pháp xác suất

32

3.1.3 So sánh phương pháp tiền định và phương pháp xác suất 33
3.2 Đánh giá an tồn động

34

3.3 Phương pháp xác suất để tính độ rủi ro cơ bản trong an toàn
hệ thống điện

35

-2-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

3.4 Phương pháp đánh giá độ rủi ro trong an toàn trong hệ thống

38

3.4.1 Độ rủi ro quá tải đường dây truyền tải

38

3.4.2 Độ rủi ro quá tải máy biến áp

40

3.4.3 Độ rủi ro quá tải đường dây và máy biến áp trong năm

42

3.4.4 Độ rủi ro của hệ thống bảo vệ đặc biệt.

44

3.4.5 Đánh giá an toàn điện áp hệ thống điện

45

3.4.6 Độ rủi ro của mất ổn định quá độ

47

3.4.7 Độ rủi ro tổng hợp của hệ thống điện

50

3.4.8 Đánh giá an toàn độ rủi ro cơ sở thời gian thực

50

3.4.9 Định hướng của phương pháp độ rủi ro cơ sở.

52

3.5 Lựa chọn phương pháp xác suất.

52

3.6 Đánh giá kinh tế của an toàn hệ thống điện

54

3.6.1 Đánh giá kinh tế của an tồn hệ thống điện.

54

3.6.2 Mơ hình đánh giá kinh tế của an tồn hệ thống

56

3.6.2.1 Mơ hình mạng điện

56

3.6.2.2 Kiểm tra điều kiện cân bằng của trạng thái đầu

58

3.6.2.3 Mơ hình trạng thái ngẫu nhiên

58

3.6.2.4 Mơ hình các điều kiện thời tiết

59

3.6.2.5 Kiểm tra vùng cô lập

60

3.6.2.6 Kiểm tra điều kiện cân bằng của mỗi vùng cô lập 61

3.6.2.7 Tác động của người vận hành

62

3.6.2.8 Kiểm tra điều kiện cân bằng mới

63

3.6.2.9 Khơi phục tải

63

3.6.3 Tính tốn chi phí vận hành

64

3.6.3.1 Chi phí bồi thường thiệt hại cho khách hàng

64

3.6.3.2 Chi phí an tồn

66

3.6.3.3 Chi phí năng lượng

67

3.6.4 Tiêu chuẩn dừng

68

-3-


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 4: Tính tốn an tồn ở chế độ xác lập, ứng dụng tính tốn
an tồn điện áp cho lưới điện 220kV Việt Nam.

69

4.1. Các phương pháp và tiêu chuẩn tính tốn an toàn lưới điện

69

4.2. Giới thiệu chung về PSS/E.

71

4.2.1. Cách nhập số liệu tính tốn trào lưu cơng suất

72

4.2.1. Ví dụ minh họa.

90

4.2.3 Chọn phương pháp giải.

94

4.2.4 Đưa ra kết quả.

95

4.3. Tính tốn an tồn điện áp hệ thống điện Việt Nam năm 2004.

97

4.3.1 Hiện trạng của hệ thống điện của Việt Nam.

97

4.3.2 Tính tốn an tồn lưới điện 220 kV.

99

4.3.3 Nhận xét và kết luận.

105

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

107

Tài liệu tham khảo

109

Phụ lục

-4-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

DANH MỤC VIẾT TẮT
CCDF

Composite customer damage
function

Thiệt hại của khách hàng cho tất cả các khu vực

COC

Customer outage costs

Giá tiền đền bù khi phụ tải bị mất điện

DSA

Dynamic Security Assessment

Đánh giá an toàn động

LF

Load factor

Hệ số điền kín đồ thị phụ tải

PSS/E

Power system simulator for

Chương trình mơ phỏng và tính tốn hệ thống

Engineering

điện

Supervisory Control and Data

Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám

Acquisition

sát

Sector Customer Damage

Thiệt hại của khách hàng cho từng khu vực

SCADA

SCDF

Function

SMP

System marginal price

Giá cao nhất của hệ thống

SPS

Special protection schemes

Phối hợp bảo vệ đặc biệt

SSA

Static Security Assessment

Đánh giá an toàn tĩnh

Stress

Hệ thống vận hành gần với giới hạn an toàn

TSI

Transient Stability Index

Chỉ số ổn định động

VaSA

Value of Security Assessor

Chương trình tính tốn giá trị an tồn

VOLL

Value of Lost Load

Giá trị mất tải

-5-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1 Động cơ và mục tiêu.
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…)
được kết nối với nhau tạo thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và
phân phối điện năng.[1]
Hệ thống điện phát triển không ngừng theo thời gian, mở rộng theo
không gian và ngày càng trở nên phức tạp. Do tính chất phức tạp của hệ thống
nên hệ thống có rất nhiều trạng thái xảy ra, mỗi trạng thái người ta gọi là một
chế độ của hệ thống. [1] Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, các chế độ của
hệ thống điện được chia thành hai loại chính là chế độ xác lập và chế độ quá
độ. Chế độ xác lập là chế độ mà các thông số không thay đổi hoặc trong một
khoảng thời gian tương đối ngắn thì nó chỉ biến thiên với một lượng nhỏ. Chế
độ xác lập là những chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống hoặc

những chế độ làm việc sau sự cố. Ngoài các chế độ xác lập trong hệ thống còn
diễn ra chế độ quá độ, đó là những chế độ làm việc trung gian khi chuyển từ
chế độ xác lập này đến chế độ xác lập khác. Phân tích các chế độ xác lập được
gọi là phân tích trạng thái tĩnh cịn phân tích các chế độ q độ được gọi là
phân tích trạng thái động của hệ thống.[3]
Nghiên cứu an toàn hệ thống điện là nghiên cứu các trạng thái vận hành
hệ thống và giới hạn của của các tham số để hệ thống vẫn đảm bảo an toàn
trước những sự cố ngẫu nhiên mà không bị vi phạm các giới hạn của hệ thống
hoặc không phải sa thải bất kỳ phụ tải nào. Từ sự cạnh tranh trong cung cấp
điện dẫn đến chi phí dự trữ an tồn ngày càng giảm. Tổ chức OFGEM (Office

-6-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

of Gas and Electricity Markets-Anh) đã đặt câu hỏi liệu các tiêu chuẩn thường
dùng trong sản xuất và tiêu thụ điện có phù hợp với mức an tồn khơng? Như
ta đã biết nếu nguồn cung cấp khơng đủ cơng suất thì sẽ làm giảm tần số hệ
thống hoặc phải sa thải phụ tải. Giá trị của độ an tồn được tính thơng qua
những tổn thất mà khách hàng hứng chịu khi phụ tải của họ bị sa thải. Những
lợi ích của việc giữ an tồn hệ thống chỉ có thể được đánh giá thông qua xác
suất, xác suất này được nghiên cứu nhằm mục đích bảo vệ hệ thống chống lại
các trạng thái ngẫu nhiên xảy ra trên hệ thống mà không được cảnh báo trước.
Các tiêu chuẩn về an toàn được đưa ra vào năm 1994 bởi NGT
(National Grid Transco-Anh) là những tiêu chuẩn an toàn theo kinh nghiệm
truyền thống, trong một vài trường hợp, kết quả tìm được có thể rất dư thừa
và lãng phí. Trong nhiều trường hợp khác, những tiêu chuẩn này vẫn đủ chính
xác để ngăn những sự cố nguy hiểm bất ngờ xảy ra với hệ thống.
An toàn hệ thống điện là thuật ngữ thường được dùng để chỉ khả năng

của hệ thống có thể chống lại được những sự cố không được dự báo trước
nhưng không thể tránh được, chẳng hạn như việc cắt điện đột ngột của đường
dây truyền tải do những sự cố bất ngờ trên đường dây truyền tải hoặc sự cố
của một nhà máy điện quan trọng do một hỏng hóc về cơ khí. Điện năng rất
quan trọng trong đời sống hàng ngày và trong các hoạt động về sản xuất của
nền kinh tế vì thế hệ thống điện phải được kiểm tra giám sát một cách chặt
chẽ để hệ thống luôn nằm trong giới hạn an toàn.
Tiêu chuẩn an toàn tiền định cổ điển được sử dụng để đánh giá mức an
toàn của hệ thống. Một hệ thống điện được gọi là “chắc chắn” nếu nó đáp ứng
được tiêu chuẩn an toàn tiền định, tức là hệ thống vận hành mà không vi
phạm giới hạn nào trong tất cả các trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống. Trạng
thái ngẫu nhiên được định nghĩa như là sự cố của một phần tử trong hệ thống
hoặc của hai phần tử liên kết với nhau. An toàn hệ thống được kiểm tra và sử

-7-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

dụng bằng những cơng cụ phân tích các trạng thái ngẫu nhiên, những công cụ
này mô phỏng các tác động của mỗi trạng thái ngẫu nhiên lên hệ thống bằng
cách sử dụng các chương trình phân tính hệ thống. Chương trình phân tích hệ
thống tính tốn dịng cơng suất, ổn định điện áp của các trạng thái.
Ý tưởng của phương pháp tiền định là nghiên cứu an toàn để tránh
những sự cố dây chuyền dẫn đến những sự cố lớn xảy ra bất ngờ. Chẳng hạn,
một đường dây bị sự cố cắt ra dẫn đến sự quá tải của một đường dây khác,
đường dây này cũng có khả năng bị cắt theo, đây là lý do gây ra những sự cố
tiếp theo và có thể gây ra mất nhiều tải hoặc gây sụp đổ hệ thống. Tiêu chuẩn
tiền định thực hiện đơn giản nhưng đây không phải là giải pháp tối ưu về kinh
tế. Trong một số trường hợp thì chúng hiệu quả ở một mức an tồn và nó có

thể ngăn ngừa được phải cắt điện của các phụ tải. Trong trường hợp khác,
chẳng hạn như trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt thì tiêu chuẩn tiền định lại
khơng phản ánh đúng mức độ nguy hiểm của những sự cố chính.
Ý tưởng của phân tích an tồn theo xác suất vượt ra khỏi quan niệm về
những trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống dẫn đến những sự kiện không mong
muốn. Nếu chúng ta không tự giới hạn các trạng thái ngẫu nhiên có thể xảy ra
thì trạng thái của hệ thống khơng thể được xem là an tồn hay khơng an tồn
bởi vì hầu hết những sự cố ngẫu nhiên kết hợp với nhau sẽ là lý do dẫn đến
những vi phạm về giới hạn trong vận hành. Những tác động để ngăn chặn
những vi phạm cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến những sự cố không mong
muốn. Để ngăn chặn hồn tồn những sự cố trên là điều khơng thể bởi vì điều
đó sẽ dẫn đến giá thành cung cấp rất cao. Nói một cách khác là khơng thể đảm
bảo hệ thống sẽ chống lại tất cả những sự cố có thể xảy ra. Một cách đo độ an
tồn khác phải được chấp nhận nếu chúng ta muốn nghiên cứu rộng hơn về
những trạng thái ngẫu nhiên của hệ thống điện.

-8-


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2. Những thành tựu và kết luận của các nghiên cứu trước.
Cơng trình nghiên cứu “Một phương pháp tính tốn giá trị an tồn trong
vận hành hệ thống điện” đặt nền móng bởi Prof. Daniel Kirschen vào năm
1997, cơng trình này cũng được xem như là “cơng trình đầu tiên”. Sau đó Dr.
K. Bell đã phát triển phần mềm sử dụng cho phương pháp tính tốn. Tiếp theo
Dr. M. Rios đã phát triển thêm phần mềm này và ứng dụng nó vào mơ hình
của hệ thống điện NGT (National Grid Transco) ở Anh. Sau đây là những
thành tựu và kết quả của công trình này đạt được.
• Đã có những phương pháp đánh giá thiệt hại của các sự cố trong hệ

thống điện bằng những công cụ phần mềm. Công cụ này được sử dụng để lập
phương thức vận hành hệ thống, nó được thực hiện và phát triển dựa trên mô
phỏng Monte Carlo. Cơng cụ này được gọi là cơng cụ tính tốn giá trị an tồn
(VaSA-Value of Security Assessor). VaSA được thử nghiệm thành công trên
hệ thống NGT (Anh). Kết quả của cuộc thử nghiệm là mang tính tích cực.
• Phát triển mơ hình gồm năm “ trạng thái thời tiết”. Một trong những
trạng thái này là trạng thái “thời tiết bình thường” (ví dụ, thời tiết tốt) trong
khi bốn trạng thái còn lại tương ứng với những trạng thái mà có số sự cố trung
bình lớn hơn mức bình thường. Những cuộc thử nghiệm đã chỉ ra rằng những
trạng thái thời tiết xấu không ảnh hưởng lớn đến sự lựa chọn các phương thức
vận hành.
• Trong VaSA đã trình bày những công thức cơ bản về mô phỏng hệ
thống và những tác động hiệu chỉnh trong vận hành. Các phương pháp để mô
tả xác suất của các sự cố gây ra cắt dây chuyền hoặc gây ra sự cố cắt một hay
nhiều thiết bị không cần thiết khi thiết bị lân cận bị sự cố.
VaSA có khả năng tính tốn giá trị an tồn khơng những cho một trạng
thái tức thì hệ thống mà cịn có khả năng tính tốn phương thức vận hành
trong cả ngày và tính tốn được thời gian xử lý của người vận hành.

-9-


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.3 Mục đích của nghiên cứu.
Ta thấy vấn đề an toàn cho hệ thống điện ngày càng đặt ra bức thiết để
giải quyết các vấn đề về kinh tế và kỹ thuật cho hệ thống. Vì vậy trong đồ án
này đã đi sâu nghiên cứu các vấn đề an toàn của hệ thống:
- Phần đầu của luận văn nghiên cứu những lý thuyết chung về an toàn
hệ thống. Phần này giới thiệu các khái niệm cũng như sự phân loại về an toàn

và các yếu tố tác động đến an toàn hệ thống. Ở phần này cũng đưa ra hai
phương pháp phân tích sự cố hệ thống điện đó là phương pháp phân tích độ
nhạy và phương pháp dịng tải AC.
- Phần tiếp theo của luận văn đưa ra những phương pháp đánh giá an
toàn trong hệ thống điện. Sử dụng phương pháp tiền định và phương pháp xác
suất để đánh giá an toàn tĩnh (chế độ xác lập), an toàn động (chế độ quá độ)
và đánh giá độ rủi ro xảy ra trong hệ thống điện. Tiếp theo luận văn trình bày
những đánh giá về kinh tế của an toàn hệ thống điện, các chi phí tính tốn khi
mất an tồn và các tiêu chuẩn đánh giá về kinh tế trong vận hành.
- Phần cuối của luận văn đã áp dụng tính tốn an tồn điện áp cho lưới
điện truyền tải 220kV của Việt Nam năm 2004 ở các chế độ phụ tải cực đại,
phụ tải cực tiểu và chế độ phụ tải cực đại buổi sáng. Trong phần này cũng giới
thiệu về chương trình tính tốn phân tích lưới điện PSS/E 29.

- 10 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chương 2
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ AN TỒN
2.1 Giới thiệu chung về an tồn hệ thống điện.
Ngày nay mối quan tâm chính của chúng ta vẫn là vận hành tối ưu kinh
tế hệ thống điện. Một yếu tố quan trọng trong vận hành hệ thống điện chính là
an tồn hệ thống. An tồn hệ thống điện là việc giữ cho hệ thống vận hành
bình thường khi bị sự cố một phần tử trong hệ thống. Chẳng hạn như một máy
phát có thể bị tách ra khỏi hệ thống do thiết bị phụ trợ bị hỏng, trong thời gian
gián đoạn để thay thế máy phát dự phịng, thì hệ thống cịn lại có thể bị suy
giảm tần số hoặc phải sa thải phụ tải. Tương tự, một đường dây truyền tải có
thể bị bão phá hỏng và nó bị tách ra bởi các rơle tự động. Nếu như máy phát

vẫn tiếp tục phát công suất như cũ thì trong thời gian gián đoạn sữa chữa
những đường dây cịn lại có thể bị tăng tải và đạt đến hoặc vượt quá giới hạn
cho phép.
Các phần tử của hệ thống điện được thiết kế để vận hành trong một giới
hạn cho phép, hầu hết các bộ phận của các phần tử này đều được bảo vệ bởi
các thiết bị tự động, do đó các phần tử này có thể bị cắt ra khỏi hệ thống nếu
giới hạn của nó bị vi phạm. Nếu sự cố xảy ra mà hệ thống vẫn tiếp tục làm
việc bình thường thì sự cố đó được xem như là một sự cố thống qua. Cịn có
những sự cố mà khi nó xảy ra thì sẽ dẫn đến một loạt sự cố khác trong hệ
thống xảy ra theo, ví dụ về chuỗi sự cố này là một đường dây bị cắt ra do hư
hỏng cách điện, các đường dây còn lại trong hệ thống vẫn tiếp tục vận hành
nhưng trong đó sẽ có một số đường dây bị quá tải bởi vậy nó có thể bị cắt ra
bởi các rơle tự động, điều đó có nghĩa là những đường dây cịn lại sẽ ngày
càng quá tải thêm. Những quá trình này thường xảy ra liên tiếp và dẫn đến

- 11 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

giới hạn sụp đổ hệ thống, trường hợp đặc biệt này của hệ thống được gọi là sự
cố dây chuyền.
Hầu hết các hệ thống điện lớn đều được lắp đặt thiết bị cho phép người
vận hành có thể kiểm tra giám sát và vận hành hệ thống một cách dễ dàng để
đạt được độ tin cậy.
Hệ thống an toàn bao gồm 3 chức năng chính những chức năng này
được tập trung tại trung tâm vận hành:
1. Chức năng kiểm tra giám sát
2. Chức năng phân tích dự báo sự cố
3. Phân tích các tác động hiệu chỉnh

Những chức năng này đưa lại cho người vận hành tại các trung tâm
điều khiển những thông tin kịp thời chính xác để vận hành hệ thống một cách
an toàn tin, cậy nhất và kinh tế nhất.
Chức năng kiểm tra giám sát là chức năng quan trọng nhất trong 3 chức
năng trên. Hệ thống này cung cấp cho người vận hành một cách trực quan về
thông số vận hành của hệ thống. Hệ thống này rất tiện lợi vì nó có thể kiểm
tra được những vị trí rất xa trong hệ thống mà không phải trực tiếp đến đó.
Vận hành hệ thống được tốt phụ thuộc vào độ chính xác của các thiết bị đo và
các giá trị của nó được truyền đến trung tâm điều khiển. Hệ thống đo và
truyền dữ liệu được gọi là hệ thống đo xa, hệ thống này có thể đo và kiểm tra
điện áp, dịng điện, dịng cơng suất, trạng thái hỏng của mạch điện và các
thông tin giới hạn như tần số, các thành phần đầu ra của máy phát và vị trí đầu
phân áp của máy biến áp cũng có thể được đo từ xa. Với một lượng thơng tin
lớn được đo cùng một lúc, người vận hành không thể kiểm tra và phân tích
những những thơng tin này trong một thời gian ngắn. Vì lý do đó máy tính kỹ
thuật đã được cài đặt phần mềm vận hành điều khiển trung tâm để thu thập và
xử lý các tín hiệu đo, các q trình biến đổi và dữ liệu về vị trí của chúng.

- 12 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Người vận hành có thể nhìn thấy thơng tin qua một màn hình lớn. Điều quan
trọng hơn, máy tính có thể kiểm tra các thông tin về giới hạn và cảnh báo cho
người vận hành những sự cố như quá tải hoặc điện áp vượt mức cho phép.
Người ta đánh giá trạng thái hệ thống bằng cách sử dụng những số liệu từ hệ
thống đo xa rồi so sánh với hệ thống mẫu để đưa ra những đánh giá tối ưu
(trong khả năng thống kê được) cho những phương thức vận hành của hệ
thống điện.

Hệ thống giám sát luôn luôn được kết hợp với hệ thống điều khiển, hệ
này cho phép người vận hành đóng, ngắt mạch, thay đổi đầu phân áp của máy
biến áp… từ trung tâm điều độ. Hệ thống điều khiển thường được sử dụng là
hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), hệ thống này
thu thập và xử lý số liệu về hệ thống và điều khiển hệ thống. Hệ thống
SCADA cho phép một số người vận hành quan sát gián tiếp hệ thống (máy
phát và hệ thống truyền tải điện…).
Chức năng chính thứ hai của hệ thống an tồn là phân tích những trạng
thái ngẫu nhiên xảy ra. Kết quả đạt được của việc phân tích này là dự báo
trước cho người vận hành biết những trạng thái ngẫu nhiên trong hệ thống để
người vận hành điều khiển hệ thống được an toàn. Rất nhiều nhiễu loạn xuất
hiện trong hệ thống điện, đó có thể là nguyên nhân dẫn đến hệ thống mất an
toàn, bất ổn trong khoảng thời gian rất nhanh vì thế người vận hành khơng thể
hành động kịp để ngăn chặn sự cố. Vì vậy ta cần phải phân tích nhanh các sự
kiện xảy ra trong hệ thống để phát hiện sớm sự cố. Hiện nay với những hệ
thống điện hiện đại cài đặt nhiều chương trình có khả năng phân tích và dự
báo những sự cố trước khi chúng xảy ra.
Chức năng thứ 3 của hệ thống an tồn là chức năng phân tích và hiệu
chỉnh các tác động vận hành, cho phép cán bộ điều độ thay đổi phương thức
vận hành của hệ thống điện trong các trường hợp quá tải. Đây là một chương

- 13 -


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

trình phân tích những khả năng sự cố có thể xảy ra để tác động điều chỉnh lên
hệ thống trước khi sự cố xuất hiện. Ví dụ chúng ta có thể điều chỉnh giảm
dịng cơng suất trên đường dây có thể bị q tải để đến khi sự cố xảy ra thì
đường dây này vẫn nằm trong phạm vi an toàn cho phép.

Tất cả các chức năng điều khiển giám sát, phân tích các trạng thái ngẫu
nhiên và phân tích tác động hiệu chỉnh là các cơng cụ nhằm mục đích trợ giúp
cho người vận hành hệ thống điện.
2.2 An toàn hệ thống điện.
2.2.1 Khái niệm
An toàn hệ thống điện được đánh giá bằng các tiêu chuẩn an tồn. Có
hai tiêu chuẩn thường được sử dụng để đánh giá an toàn hệ thống là tiêu
chuẩn N-1 và tiêu chuẩn N-2.
Tiêu chuẩn N-1 được phát biểu như sau: Hệ thống điện được gọi là an
toàn theo tiêu chuẩn N-1 nếu hệ thống sau khi mất đi bất kỳ một phần tử
(hoặc hai phần tử có liên kết với nhau) thì hệ thống vẫn vận hành bình thường
tức là khơng có bất cứ một tham số nào của hệ thống vi phạm giới hạn và
không phải sa thải bất kỳ phụ tải nào. [11]
Trong một vài trường hợp người ta sử dụng tiêu chuẩn N-2 để đạt được
độ an toàn cao hơn cho hệ thống khi mất đi hai phần tử bất kỳ.
Công suất trên hệ thống truyền tải trong trạng thái vận hành bình
thường phải được giới hạn ở các mức, những mức này cho phép xảy ra bất cứ
trạng thái ngẫu nhiên xảy ra mà vẫn đạt được chất lượng điện năng và các
thông số hệ thống nằm trong giới hạn cho phép.[11]
Những trạng thái ngẫu nhiên có thể là những sự cố hỏng hóc các phần
tử của hệ thống do các hiện tượng khách quan (ví dụ như sự cố xảy ra do sét
đánh làm máy cắt đóng) hoặc có thể bao gồm những sự mất ổn định tĩnh hoặc

- 14 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

sự mất ổn động (ví dụ như một thay đổi bất kỳ của phụ tải cũng có thể dẫn
đến cắt đường dây hoặc máy phát) [8]

Thông thường, mô phỏng chuỗi trạng thái ngẫu nhiên được sử dụng để
đánh giá tác động của nó lên hệ thống trong một trạng thái ổn định. Tuy
nhiên, các hiện tượng vật lý trong tự nhiên là phi tuyến, hệ thống điện trên
thực tế ngày càng phức tạp làm cho việc đánh giá an toàn hệ thống trở nên rất
khó khăn. Chẳng hạn, hệ thống kiểm tra giám sát phải hoạt động liên tục và
yêu cầu phải phân tích nhanh độ nhạy để xác định xu hướng thay đổi của các
tham số, những kết quả phân tích trên cho ta biết phải vận hành hệ thống như
thế nào để tăng mức an toàn. [8]
Mặt khác, áp lực về các điều kiện kinh tế và môi trường làm cho việc
tăng tính an tồn của hệ thống và lợi ích kinh tế trở nên mâu thuẫn nhau, thậm
chí thay vì phải xây dựng những đường dây truyền tải mới và tăng thêm
nguồn phát thì người vận hành lại phải vận hành hệ thống ở gần với mức giới
hạn hơn, gây ra mất an toàn cho hệ thống [8].
Những thay đổi nhỏ của phụ tải gây ra các nhiễu loạn đó là nguyên
nhân làm thay đổi các trạng thái của hệ thống. Tuy nhiên, an toàn hệ thống
được đánh giá bởi những thay đổi lớn đó là ngun nhân chính dẫn đến thay
đổi trạng thái của hệ thống. Những sự thay đổi lớn này bắt nguồn từ những
trạng thái ngẫu nhiên. Những sự cố hay xảy ra nhất là rơle hoạt động không
tin cậy, đây là những thiết bị được thiết kế để bảo vệ hệ thống trước những sự
cố hoặc là những trạng thái bất thường khác. Các rơle tác động dẫn đến khả
năng cắt các đường dây, máy biến áp, máy phát, hoặc những phụ tải lớn.[18]
Các phần tử biến đổi trong hệ thống điện phản ứng lại với những biến
đổi xảy ra trong hệ thống để đạt được trạng thái cân bằng chấp nhận được.Các
phân tích về những phản ứng của các phần tử và điều kiện cân bằng mới của
hệ thống này được gọi là phân tích an toàn. [18]

- 15 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.2.2 Phân loại
An tồn hệ thống có thể được phân chia theo hình 2.1
An toàn hệ thống điện

An toàn
quá tải

Quá tải máy
biến áp

An toàn
điện áp

Quá tải
đường dây

Điện áp
thấp

Điện áp mất
ổn định

An toàn
động

Mất ổn định
động

Mất ổn định

tĩnh

Hình 2.1: Phân loại an tồn hệ thống điện [18].
Cơ cấu thời gian

Người giải quyết

Đánh giá trực tiếp
(vài phút đến giờ)

Người vận
hành

Kế hoạch vận
hành
(vài giờ đến tháng)

Người phân
tích

Kế hoạch
(Vài tháng-năm)

Người phân
tích

Quyết định

Cơ sở của quyết định

Kiểm sốt vận hành như thế Nguyên tắc vận hành,
nào cho kinh tế mà vẫn giữ hệ Đánh giá trực tiếp và
thống ở trạng thái bình thường
tính kinh tế
Nên dùng tiêu chuẩn vận
hành nào?

Tiêu chuẩn vận hành
tin cậy và tối ưu về
kinh tế

Làm thế nào để tăng cường và Tiêu chuẩn tin cậy để
giữ được hệ thống truyền tải
thiết kế hệ thống.

Bảng 2.1: Mối quan hệ của các quyết định về an toàn [18].
Nếu sự phân tích chỉ tập trung đánh giá vào trạng thái cân bằng của hệ thống (tại điểm
vận hành ổn định) thì chúng được gọi là đánh giá an toàn tĩnh (Static Security AssessmentSSA). Trạng thái an toàn tĩnh (trạng thái an toàn ổn định) là trạng thái hệ thống cung cấp điện
cho các phụ tải mà không vi phạm đến các điều kiện về vận hành và không phải cắt đi bất cứ
phụ tải nào [9],[7].
Nếu phân tích tập trung đánh giá trạng thái của hệ thống trong khoảng
thời gian quá độ ngay sau khi mất ổn định, thì chúng được gọi là đánh giá an

- 16 -


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

tồn động (Dynamic Security Assessment-DSA) [29],[5],[12]. Nghiên cứu an
toàn động là nghiên cứu khả năng của hệ thống cung cấp chống lại được

những vấn đề động như tác động sớm, mất ổn định động và mất ổn định tĩnh
[9], [21].
An toàn điện áp là khả năng tất cả các nút của hệ thống giữ được điện
áp trong giới hạn cho phép ở trạng thái vận hành bình thường, mà cịn giữ
được trong bất cứ trạng thái ngẫu nhiên nào hoặc trước những biến đổi có hại
cho hệ thống [9],[5]. Phân tích an tồn điện áp được thực hiện để khảo sát
xem liệu những trạng thái ngẫu nhiên nào gây ra sụp đổ điện áp [9].
Đánh giá an tồn tĩnh có thể được dùng để phát hiện nhanh hệ thống
mất an toàn bằng cách xem xét những tác động tĩnh của mỗi trạng thái ngẫu
nhiên. Tuy nhiên, để biết hệ thống tuyện đối an tồn hay khơng thì phải được
thực hiện đánh giá an tồn động.
Một hệ thống điện ln ln ở một trong bốn trạng thái sau:
1. Trạng thái bình thường
2. Trạng thái cảnh báo
3. Trạng thái nguy cấp
4. Trạng thái phục hồi
Trạng thái nguy cấp có thể là trạng thái rất nguy cấp hoặc trạng thái
nguy cấp tạm thời hoặc trạng thái nguy cấp có thể điều khiển được [27]. Điều
quan trọng của bốn trạng thái an toàn này là cung cấp một khái niệm cơ sở về
các mối liên hệ của các trạng thái an toàn trong hệ thống. Các vấn đề cơ sở
này dựa trên giả định rằng bất cứ trạng thái nào được xem là bình thường đều
được chấp nhận, các trạng thái cịn lại đều khơng được chấp nhận. Hình 2.2
thể hiện các trạng thái và các hoạt động tương ứng.

- 17 -


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Bình thường

Tác động
(chuyển mạch)
Hồi phục
Giải quyết
nhanh, khơng
tính đến kinh tế
Cảnh báo
Tình trạng nguy
hiểm (sự cố dây
chuyền, điểm
công suất gián
đoạn, phụ tải bị
sa thải)

Giảm tải trên
đường dây

Khẩn cấp

Điều khiển sa
thải phụ tải

Hình2.2: Những trạng thái và hoạt động của hệ thống điện [18].
Theo kinh nghiệm, những quyết định liên quan đến an toàn trong cả
vận hành và lập phương thức phải dựa trên tiêu chuẩn sao cho hệ thống được
vận hành ở trạng thái bình thường trong mọi lúc [21]. Hạn chế chủ yếu của
phương pháp này là không phản ánh được sự khác nhau có thể tồn tại ở giữa
hai trạng thái được cho là an toàn.
Đánh giá độ an toàn được nghiên cứu trên ba vùng chính thể hiện trên
hình 2.3, những đánh giá này phải được thực hiện trong một khung thời gian

chuẩn. Hình 2.3 thể hiện khung thời gian được sử dụng cho những tác động
điều khiển tình trạng khẩn cấp [40].
Do hiện nay việc cạnh tranh về nguồn cung cấp (ở Việt Nam là do thiếu
nguồn cung cấp nên chưa có cạnh tranh) và q trình phát triển của mạng lưới
truyền tải dẫn đến kết quả là trạng thái vận hành bị stress rất cao (tức là hệ
thống được vận hành ở rất gần với giới hạn mất an toàn), mạng lưới dễ bị tổn
thương hơn và điều này cho thấy cần phải tăng mức an toàn trong hệ thống.

- 18 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Tác động ngăn chặn
mất ổn định quá độ

10

Tác động để kiềm
chế sự mất cân bằng
của công suất phát

Tác động ngăn chặn
mất ổn định động
Tác động ngăn
chặn cắt quá tải

103

miligiây

1

60

vài giây
1

vài phút

10

Hình 2.3: Tỉ lệ thời gian trong hoạt động điều khiển khẩn cấp [40].
Để xác định mức an toàn trong một trạng thái vận hành, trước đây
người ta thường sử dụng phương pháp tiền định, một trạng thái vận hành
được xác định là an tồn hoặc khơng an tồn dựa vào những trạng thái ngẫu
nhiên trong tập hợp những trạng thái ngẫu nhiên đã từng xảy có thỏa mãn các
tiêu chuẩn an tồn của mạng điện hay không. Nếu các trạng thái ngẫu nhiên vi
phạm giới hạn thì người vận hành phải thao tác để đưa mức an toàn của hệ
thống vào vùng an tồn. Nếu khơng trạng thái ngẫu nhiên nào vi phạm thì
người vận hành khơng phải thao tác gì thêm hoặc chỉ thao tác để nâng cao
tính kinh tế của việc phân phối điện cho các phụ tải. [23].
Có 2 phương pháp đánh giá an tồn đó là phương pháp tiền định và
phương pháp xác suất. Phương pháp tiền định đưa ra những quy tắc rất đơn
giản để sử dụng trong các lệnh vận hành. Tuy nhiên, sự cạnh tranh về kinh tế
trong công nghiệp và sự tăng trưởng nhanh của phụ tải nối thêm vào hệ thống
dẫn đến hệ thống dễ bị tổn thương. Các nghiên cứu đã tìm ra nhiều cách khác
nhau để nhận biết được hệ thống có an tồn hay khơng? Có tối ưu về kinh tế
hay không? [28].

- 19 -

ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn hệ thống điện.[6]
Đối với một hệ thống điện hiện đại cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hệ thống phải vận hành như thế nào để công suất truyền tải đáng tin cậy.
- Hệ thống phải được vận hành trong giới hạn tin cậy nhưng cũng phải
được vận hành tối ưu về kinh tế.
Nhưng yếu tố nào ảnh hưởng đến vận hành đứng trên quan điểm về độ
tin cậy? Chúng ta cho rằng các kỹ sư đã thiết kế ra hệ thống truyền tải điện và
hệ thống nguồn phát đã làm việc với tất cả khả năng của họ. Điều đó có nghĩa
là phải có nguồn phát đủ để cung cấp cho tất cả phụ tải, nó cũng đồng nghĩa
với việc phải có một hệ thống truyền tải đủ để dẫn công suất từ nguồn phát
đến phụ tải. Nếu hệ thống vận hành không gặp phải những trạng thái sự cố
xảy ra đột xuất hoặc những trạng thái vận hành hệ thống mà chưa từng gặp
trước đây thì chúng ta có thể khơng gặp phải các vấn đề về độ tin cậy. Tuy
nhiên, bất cứ phần tử nào trong hệ thống đều có khả năng xảy ra sự cố do
nguyên nhân chủ quan hoặc khách quan như sét đánh hoặc một vật lạ làm
ngắn mạch đường dây truyền tải, hoặc lỗi do người vận hành thao tác rơle sai.
Thật là rất lãng phí nếu ta xây dựng một hệ thống điện đủ dư thừa (dư thừa về
hệ thống truyền tải và công suất dự trữ) để có thể chống lại tất cả những sự cố
mà không làm gián đoạn phụ tải. Bởi vậy hệ thống được thiết kế để xác suất
mất tải là một lượng nhỏ có thể chấp nhận được. Hệ thống chỉ được thiết kế
với độ dư thừa đủ để hệ thống có thể chống lại những những sự cố chính, điều
này không đảm bảo rằng hệ thống sẽ vận hành với độ tin cậy 100%.
Vận hành hệ thống trong giới hạn thiết kế và kinh tế là công việc của
người vận hành, họ cố gắng để giữ tối đa độ tin cậy của hệ thống trong bất cứ
thời điểm nào. Hệ thống vận hành không bao giờ đạt được 100% thiết bị bởi
vì có những phần tử bị sự cố hoặc có những phần tử đang thời kỳ bảo dưỡng,

bởi vậy cần thiết phải có những thiết bị dự phịng để thay thế.

- 20 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Sự cố đường dây truyền tải là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi dòng
điện và điện áp trên các thiết bị truyền tải cịn lại của hệ thống. Bởi vậy, cần
phân tích sự cố trên đường dây truyền tải để dự báo dịng điện và điện áp xem
chúng có nằm trong giới hạn cho phép hay không. Sự cố máy phát cũng dẫn
đến sự thay đổi dòng điện và điện áp trên hệ thống truyền tải, thêm vào đó là
các vấn đề về động học của hệ thống như là tần số hệ thống, cơng suất đầu ra
của máy phát.
Có những vấn đề quan trọng cần được giải đáp như: Cấu hình của hệ
thống cịn lại và nó được vận hành như thế nào sau sự cố, hệ thống được vận
hành ra sao để đạt được mục đích là sự cố khơng ảnh hưởng đến hệ thống?
2.4 Các phương pháp phân tích sự cố hệ thống điện. [6]
Nếu các hệ thống điện được kết nối với nhau thành liên hệ thống thì khi
xảy ra sự cố mất công suất phát của một hệ thống các nguồn phát của các hệ
thống khác sẽ tăng công suất phát để bù vào sự thiếu hụt của hệ thống này.
Tuy nhiên nếu hệ thống không được kết nối với các hệ thống khác thì khi có
sự cố mất nguồn thì các máy phát cịn lại trong hệ thống sẽ phải tăng công
suất để bù lại lượng cơng suất thiếu hụt tại nút đó.
Người vận hành phải biết đường dây và máy phát nào bị sự cố sẽ dẫn
đến dịng điện và điện áp vượt ra ngồi giới hạn. Để dự báo được tác động của
sự cố thì phải sử dụng phương pháp phân tính các trạng thái ngẫu nhiên.
Phương pháp này mô phỏng các sự cố đơn (chẳng hạn như sự cố một đường
dây hoặc sự cố một máy phát) sau đó nghiên cứu và đưa ra những “sự cố tin
cậy” (những sự cố không ảnh hưởng đến hệ thống). Trong mỗi trường hợp sự

cố thì phương pháp phân tích trạng thái ngẫu nhiên sẽ kiểm tra tất cả các
đường dây và các nút xem có dịng điện hoặc điện áp nào vượt ra ngồi giới
hạn cho phép hay khơng. Dạng đơn giản của phân tích trạng thái ngẫu nhiên
được thể hiện trong hình 2.4

- 21 -


ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Bắt đầu
Trạng thái đầu vào của hệ thống
i=1
Trạng thái sự cố
máy phát i
Có dịng cơng suất nào
vượt giới hạn?

i = i+1

Sai
Có điện áp nút nào vượt
giới hạn?
Sai

Đúng

Đúng

Cảnh báo

Cảnh báo

Sai
Máy phát cuối cùng?
Đúng
=1
Trạng thái sự cố
đường dây 
Có dịng cơng suất nào
vượt giới hạn?

 = +1

Đúng

Cảnh báo

Sai
Có điện áp nút nào vượt
giới hạn?

Sai

Đúng

Cảnh báo

Sai
Đường dây cuối cùng?

Đúng

Kết thúc
Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn phân tích sự cố ngẫu nhiên [6]

- 22 -


ĐÁNH GIÁ AN TỒN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Vấn đề khó khăn của các phương pháp phân tích hệ thống là giải quyết
các vấn đề về tốc độ tính tốn. Vấn đề khó khăn nhất là việc chọn ra “các sự
cố đáng tin”. Nếu mỗi trường hợp sự cố phân tích trong 1 phút thì với hàng
trăm sự cố phải mất hàng giờ mới đưa ra sự kết luận. Nó sẽ được sử dụng nếu
trạng thái hệ thống không thay đổi trong một chu kỳ thời gian. Tuy nhiên hệ
thống là luôn luôn biến đổi và người vận hành hệ thống phải biết được rằng
trạng thái vận hành hệ thống có đáng tin cậy hay không mà không phải chờ
đợi phân tích quá lâu để nhận được câu trả lời. Vào năm 1983 với phương
pháp phân tích và máy tính lúc đó thời gian phân tích các trạng thái ngẫu
nhiên của hệ thống có thể mất vài phút đến nửa giờ cho vài trăm trường hợp
sự cố.
Một giải pháp để tăng tốc độ của phân tích trạng thái ngẫu nhiên là sử
dụng các phương pháp xấp xỉ của hệ thống điện. Đối với nhiều hệ thống thì
việc sử dụng phương pháp dịng tải DC khơng đạt được u cầu bởi vì
phương pháp DC không quan tâm đến điện áp, cho nên sử dụng phương pháp
dòng tải AC sẽ cung cấp một phương pháp tính tốn chính xác cho dịng cơng
suất và phân tích điện áp hệ thống cũng rất được quan tâm.
2.4.1 Phương pháp hệ số độ nhạy [6]
Có rất nhiều khả năng xảy ra sự cố trong các thiết bị điện, bởi vậy ta
cần nghiên cứu những sự cố này để cảnh báo cho người vận hành tránh những

sự cố nguy hiểm gây ra trên các thiết bị.
Vấn đề nghiên cứu hàng trăm khả năng xảy ra sự cố là rất khó khăn để
giải quyết được vấn đề đưa ra một kết quả nhanh chóng và chính xác để người
vận hành có những tác động lên hệ thống. Một trong những những cách giải
quyết vấn đề này là sử dụng phương pháp tính tốn nhanh khả năng q tải đó
là phương pháp “hệ số độ nhạy mạng điện”. Những hệ số đó thể hiện những

- 23 -