Nghiên cứu về việc xây dựng hệ thống giám sát diện rộng cho hệ thống điện Việt Nam - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.15 MB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

NGHIÊN C

Ứ

U V

Ề

VI

Ệ

C XÂY D

Ự

NG H

Ệ

TH

Ố

NG

GIÁM SÁT DI

Ệ

N R

Ộ

NG CHO H

Ệ

TH

Ố

NG

Đ

I

Ệ

N VI

Ệ

T NAM

Nguyễn Quang Việt 
Phó Trưởng Ban KHCN & MT - EVN 
Tóm tắt – Đối với bất kỳ một hệ thống điện nào trên thế giới, việc bảo vệ hệ thống
khỏi sự cố mất điện diện rộng là một bài tốn khó cần có những nghiên cứu và đầu tư
lớn. Bài báo cáo trình bày tổng quan về sự cần thiết của Hệ thống bảo vệ diện rộng đối
với hệ thống điện, đưa ra giải pháp cơng nghệ dựa trên thiết bị PMU. Tiếp đó, bài báo
nghiên cứu những hệ thống bảo vệ diện rộng đã có trên thế giới, phân tích những điều
kiện kỹ thuật của Hệ thống điện Việt Nam. Từ đó đề xuất ra hệ thống giám sát diện
rộng cho Hệ thống điện Việt Nam dựa trên điều kiện hiện có của hệ thống điện Việt
Nam, đề xuất những nghiên cứu trong thời gian tới để có thể xây dựng được hệ thống.
1. TÍNH THỜI SỰ CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Thực tế quá trình vận hành HTĐở Việt Nam và trên thế giới cho thấy, mặc dù chế
độ vận hành HTĐđược tính tốn và phân tích kỹ lưỡng trong quá trình lập quy hoạch,
báo cáo khả thi, thiết kế kỹ thuật; lập kế hoạch và xây dựng cho phương thức vận hành
hệ thống, các sự cố diện rộng vẫn gây ra thiệt hại lớn. Trong những năm gần đây, các sự
cố diện rộng quy mô lớn trên thế giới có thể kểđến:

 Sự cố rã lưới khu vực Đông Bắc nước Mỹ, ngày 14 tháng 8 năm 2003 [1]. Sự cố
này làm một số khu vực bị mất điện trong thời gian lên tới 72 h.

 Sự cố rã lưới Italy ngày 29 tháng 8 năm 2003. Do hệ thống sa thải phụ tải không hoạt
động hiệu quả, đã dẫn đến sụp đổ và mất điện tồn nước Italy với tổng cơng suất tải
27 GW [2].

 Sự cố rã lưới ngày 31 tháng 07 năm 2012 tại Ấn Độ [3]. Ước tính khoảng 600
triệu người bịảnh hưởng bởi sự cố này.

Ở Việt Nam sự cố điện diện rộng gần đây đã diễn ra và gây mất điện lan tràn
trong thời gian kéo dài, điển hình như:

 Ngày 26/4/2013 sự cố nhảy 2 mạch ĐZ 500 kV Hà Tĩnh - Đà Nẵng mất 1000 MW,
gây mất liên kết hệ thống Bắc - Nam;

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Hình 1: Diễn biến điện áp tại một nút quan trọng trước và trong ngày diễn ra sự cố

14-8-2003 tại Bắc Mỹ [1]. Vào ngày 14-8, điện áp nút quan sát ở thời điểm trước khi xảy ra rã lưới chỉ
thấp hơn điện áp cùng giờ trong các ngày trước đó khơng đáng kể,

vì vậy người vận hành khơng cảm nhận được mức độ nguy hiểm 
của tình trạng làm việc của hệ thống.

Cho đến nay, cơ chế của các sự cố diện rộng đã được hiểu biết tương đối rõ ràng.
Về cơ bản, sự cố diện rộng được xuất phát từ tình trạng làm việc nặng tải của hệ thống,
kèm theo sự cố mất đi một hoặc một số phần tử quan trọng dẫn đến mất ổn định các
thơng số vận hành. Kéo theo đó, các rơ le bảo vệ tác động hàng loạt, dẫn đến mất điện
trên diện rộng hoặc rã lưới. Mặc dù cơ chế của các sự cố đã được hiểu rõ, việc ngăn
ngừa chúng đang trở thành bài toán rất phức tạp. Các phân tích sự cố hệ thống điện
trong những năm qua trên thế giới đã nhận diện các khó khăn đối với việc vận hành các
hệ thống hiện đại như sau:

 Mức độ phức tạp của bài toán vận hành hệ thống điện ngày càng tăng do kích
thước hệ thống điện khơng ngừng thay đổi và tăng trưởng, đặc biệt ở các nước
đang phát triển như Việt Nam: Độ tin cậy của toàn hệ thống phụ thuộc chặt chẽ
vào độ tin cậy và sự làm việc phối hợp của rất nhiều phần tử trong hệ thống, từ
khâu phát điện, truyền tải, tiêu thụ, hệ thống điều khiển và bảo vệ. Sẽ rất khó để
xem xét hết được các kịch bản sự cố có thể xảy đến đối với một hệ thống điện lớn,
bởi số lượng kịch bản là rất lớn, đòi hỏi khối lượng tính tốn lớn, cũng như hệ

thống cơ sở dữ liệu của HTĐ ln chính xác và cập nhật.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

 Sự có mặt ngày càng nhiều của các nguồn năng lượng mới và tái tạo cũng tạo nên
những khó khăn kỹ thuật cho việc vận hành lưới. Mặc dù là nguồn năng lượng
sạch, năng lượng mới và tái tạo có đặc điểm bất định, gây khó khăn cho cơng tác
quy hoạch ngắn hạn và dài hạn trên lưới. Các nguồn năng lượng mới cũng đặt ra
những vấn đề kỹ thuật về phối hợp vận hành và bảo vệ.

 Do thơng số hệ thống có nhiều biến động, người vận hành hệ thống đối mặt với
bài toán vận hành khó khăn và phức tạp hơn. Tuy nhiên họ khơng có đủ thơng tin,
các cơng cụ phân tích cần thiết, cũng như các nội dung huấn luyện xử lý sự cốđể
tăng cường khả năng xử lý tình huống, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.

Hiện trạng và thực tế nêu trên đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết cần “tăng cường khả
năng quan sát và đánh giá nhanh trạng thái làm việc của HTĐ trong thời gian thực, từ
đó đưa ra các cảnh báo, hoặc các quyết định điều chỉnh điều khiển phù hợp nhằm giải
trừ nguy cơ xảy ra các sự cố lớn trong HTĐ”. Để thực hiện được yêu cầu trên, cần có hệ
thống đo lường giám sát hệ thống điện trên diện rộng, kết hợp với các cơng cụ tính tốn
phù hợp đểđánh giá trạng thái làm việc của HTĐ trong thời gian thực.

2. GIẢI PHÁP VỀ CÔNG NGHỆ - THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ GÓC PHA PMU 
VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG

Một trong những nguyên nhân dẫn đến các sự cố rã lưới là do hệ thống đo lường
và giám sát không cung cấp được đầy đủ thơng tin cập nhật và chính xác về tình trạng
lưới điện [4]. Trong những năm gần đây, cơng nghệ đo lường đồng bộ góc pha
(synchrophasor measurement) đang ngày càng hoàn thiện và phát triển, hứa hẹn đem lại
những bước tiến mới trong việc giám sát và đánh giá trạng thái của hệ thống. Thành
phần cơ bản của hệ thống đo lường góc pha là thiết bị đo góc pha đồng bộ (PMU -
Phasor Measurement Unit).

Hình 2: Biên độ và góc pha của tín hiệu điều hịa

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

thời gian thực. Độ chênh lệch góc pha giữa các nút đặc trưng cho trào lưu công suất
truyền tải giữa chúng và là một thông tin quan trọng cho phép đánh giá mức độổn định
của hệ thống điện. Bên cạnh đó, các tín hiệu thu thập được từ PMU (khoảng 30 - 60
mẫu/s) có thời gian cập nhật nhanh hơn nhiều so với các tín hiệu SCADA (1 mẫu/2 – 5 s).

Bên cạnh đó, đồng hồ GPS cịn có thể đồng bộ thời gian với máy tính, với các
hệ thống ghi âm, hệ thống tổng đài để đảm bảo rằng thời gian điều hành lưới điện, thao
tác đóng cắt, q trình lưu trữ dữ liệu, là hồn tồn thống nhất và chính xác. Các đồng
hồ GPS hiện nay cho phép đồng bộ thời gian với cấp chính xác lên tới nano giây
(ví dụ như các sản phẩm của hãng SEL: SEL-2401, SEL-2404, SEL-2407 cấp
chính xác có thểđạt 100 ns).

Hình 3: Phương thức đấu nối PMU tại trạm điện

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Tín hiệu đo lường cấp cho PMU là dịng điện, điện áp tại các điểm nút quan trọng
trong hệ thống (các nhà máy điện, các trạm biến áp quan trọng). Sơđồ đấu nối cơ bản
của thiết bị PMU được thể hiện trên Hình 3. Đầu vào của PMU là các tín hiệu gửi đến
từ biến dòng điện và biến điện áp đặt tại các ngăn lộ trạm và đường dây.

Dựa trên nền tảng của công nghệđo đồng bộ góc pha PMU, một thế hệ mới của
các hệ thống giám sát lưới điện đã và đang được phát triển mạnh mẽ. Sơđồ cấu trúc cơ
bản của hệ thống giám sát diện rộng (WAMS - Wide Area Monitoring System) được
minh họa trên Hình 4. Các tín hiệu đo lường đồng bộ từ các PMU được gửi đến trung
tâm điều độ thông qua các kênh thông tin liên lạc. Dữ liệu các véc tơđồng bộđược thu
thập (gom) tại các thiết bị PDC, từđó tạo dữ liệu đầu vào cho phần mềm ứng dụng giám
sát hệ thống trên diện rộng.

Bộ tập trung dữ liệu pha (PDC – Phasor Data Concentrator)

PDC là một ứng dụng phần mềm chạy trên máy tính (PC, Laptop hoặc Server,…),
thường được đặt tại các trung tâm điều khiển của trạm, nhà máy và khu vực. Bộ PDC có
khả năng:

 Nhận và đồng bộ dữ liệu đo được từ nhiều PMU;

 Xử lý và gửi dữ liệu tới các ứng dụng phần mềm trong hệ thống điện;

 Trao đổi dữ liệu với các PDC khác ở nhiều khu vực khác nhau;

 Lưu trữ dữ liệu ở nhiều định dạng cơ sở dữ liệu khác nhau (như PI, SQL, CSV,...);

 Hỗ trợ hầu hết các giao thức tiêu chuẩn (như IEEE 1344, IEEE C37.118) và các
giao thức thông dụng hiện nay (như 61850‐9‐5, SEL Fast Messaging, Gateway
Transport; ODBC,…).

ạ tầng thông tin liên lạc (Communication)

Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc là một trong những thành phần quan trọng trong
hệ thống điện nói chung. Đối với hệ thống WAMS, thơng tin liên lạc được sử dụng để
kết nối và truyền dữ liệu giữa PMU với PDC, giữa các PDCvới nhau và giữa các thành
phần khác trong hệ thống giám sát WAMS (bao gồm cả các ứng dụng người dùng).

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Lưu trữ dữ liệu (Storage/History)

Là hệ thống có khả năng lưu trữđược đa dạng nhiều loại dữ liệu: dữ liệu đồng bộ
pha đo từ các PMU, dữ liệu tính tốn từ các phần mềm ứng dụng, dữ liệu đo từ hệ thống
CADA,… Việc lưu trữ dữ liệu rất quan trọng, nó là cơ sở cho q trình khai thác và

phân tích sau vận hành post real-time), nhất là cơng tác phân tích sau sự cố. Hệ thống cơ
sở dữ liệu này có thể tích hợp ngay trong bộ PDC hoặc đứng độc lập. Ngày nay có rất
nhiều hệ cơ sở dữ liệu có thể đáp ứng được cho mơ hình WAMS như: hệ cơ sở dữ liệu
PI, SQL Server, Oracle,…

Có thể nói, lưu trữ dữ liệu là một trong những yêu cầu cấp thiết trong quản lý vận
hành hệ thống điện. Đặc biệt là các dữ liệu đồng bộ pha có chu kỳ lấy mẫu hiện rất cao
(từ 30 đến 120 mẫu/giây), khi đó lượng dữ liệu đo từ PMU tạo ra rất lớn và được tích
lũy dần theo thời gian tại các trung tâm điều khiển vì thế cần phải có hệ cơ sở dữ liệu có
khả năng lưu trữ tồn bộ lượng dữ liệu khổng lồ này cũng như phải đảm bảo tính bảo
mật và khả năng truy xuất dữ liệu phải linh hoạt. Hiện nay, hệ cơ sở dữ liệu PI do cơng
ty OSIsoft của Mỹ phát triển, hồn tồn đáp ứng được u cầu này.

Theo tính tốn của các chuyên gia trên thế giới về khối lượng dữ liệu đo được từ
PMU: với một hệ thống lắp đặt 42 PMU, mỗi PMU đo khoảng 19 tín hiệu, chu kỳ lấy
mẫu là 30 mẫu/giây, nó sẽ tạo ra khoảng 19 GB dữ liệu/1 ngày.

Ứng dụng (Application/HMI)

Tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích và khả năng ở từng nước, chúng ta có thể triển
khai được rất nhiều các ứng dụng trên hệ thống WAMS từ dữ liệu đồng bộ pha
(Synchrophasor Data) đo được. Tất cả các giải pháp công nghệ kĩ thuật hiện nay đối với
hệ thống bảo vệ diện rộng hầu hết đều tập trung nghiên cứu, phát triển nhằm đưa ra các
ứng dụng liên quan tới việc đánh giá nhanh trạng thái hệ thống, ngồi ra cịn nhiều mục
đích khác có thể liệt kê như [5]–[8]:

 Tăng cường khả năng quan sát và đánh giá trạng thái HTĐ.

 Cho phép phát hiện và đánh giá các dao động công suất trong hệ thống điện.

 Cho phép đánh giá ổn định tần số của hệ thống.

 Cho phép đánh giá nhanh ổn định điện áp và cảnh báo sớm nguy cơ sụp đổ
điện áp.

 Ứng dụng để xây dựng và cập nhật mơ hình các thiết bị trong hệ thống.

 Ứng dụng để xây dựng đáp ứng tần số của hệ thống.

 Hỗ trợ xây dựng trình tự các sự kiện và xác định điểm sự cố.

 Hỗ trợ quản lý tắc nghẽn.

 Trợ giúp q trình khởi động đen và khơi phục hệ thống điện.

 Bảo vệ chống mất đồng bộ diện rộng.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

3. CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG TRÊN THẾ GIỚI 
3.1. Các hệ thống giám sát diện rộng tại các nước

Hiện nay, đã có rất nhiều các quốc gia trên thế giới đầu tư cho việc phát triển hệ
thống bảo vệ diện rộng. Tổng hợp các báo cáo cho thấy như sau:

Hệ thống WAMS tại Bắc Mỹ: Sau sự cố ngày 14/8/2003 [1], người ta đã thấy
được rằng công nghệđồng bộ pha cực kỳ quan trọng cho việc phân tích thời gian thực
và phân tích sau sự cố. Cơng nghệ đồng bộ pha có thể làm cho người vận hành nhận
biết được trạng thái của toàn hệ thống và có biện pháp ngăn ngừa sự cố. Từ sau sự cố
lớn đó, đã có nhiều mối quan tâm và nỗ lực để phát triển cơng nghệđồng bộ pha ở miền
Đơng và sau đó lan sang miền Nam và cuối cùng dẫn đến việc thành lập tổ chức
chuyên nghiên cứu và phát triển về công nghệ đồng bộ pha tại Bắc Mỹ (viết tắt là

NASPI). Đến đầu năm 2010, đã có khoảng 250 PMU được triển khai lắp đặt trên toàn
Bắc Mỹ. Đến tháng 3/2013, số lượng PMU được lắp ở Bắc Mỹ là 826 cho các cấp điện
áp 230 kV và 500 kV.

Hình 5: Số lượng các PMU triển khai trên toàn nước Mỹở các khu vực khác nhau

Trong báo cáo vào năm 2008 của NERC’s Real-Time Tools Best Practices Task

</div>