Phân tích khả năng quan sát của hệ thống có chứa các bộ đo góc pha tại các nút

Nội dung text: Phân tích khả năng quan sát của hệ thống có chứa các bộ đo góc pha tại các nút

1. PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG QUAN SÁT CỦA HỆ THỐNG CÓ CHỨA CÁC BỘ ĐO GÓC PHA TẠI CÁC NÚT OBSERVABILITY ANALYSIS OF SYSTEMS CONTAINING PHASOR MEASUREMENTS AT NODES Nguyễn Việt Tâm TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH TÓM TẮT Hệ thống đo lường, giám sát và bảo vệ diện rộng khai thác các tiến bộ mới nhất trong các kỹ thuật về cảm biến, truyền thông, máy tính, thuật toán và đặc biệt là công nghệ đo lường được đồng bộ hóa. Sự xuất hiện các thiết bị đo góc pha được đồng bộ hóa (Phasor Measurement Unit-PMU) đã làm nên cuộc cách mạng toàn diện trong lĩnh vực giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện. Trong bài báo này, tôi phân tích để tìm ra vị trí đặt PMU tại các nút trong một mạch điện. Từ khóa: Thiết bị đo góc pha, hệ thống bảo vệ diện rộng. ABSTRACT The system of measurement, supervision and wide area protection exploits the latest advances of the techniques about sensor, communication, computer, algorithm, especially synchronous measurement technology. The appearance of synchronous (Phasor Measurement Unit-PMU) has made a comprehensive revolution in terms of monitoring, controlling and protecting power system. In this paper, I analyse to figure out the place of PMU at nodes in the circuit. Key words: Phasor Measurement Unit, Wide Area Protection System. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Một HTĐ thường phân chia thành ba phần chính: Phần phát điện - hay phần nguồn điện - bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điện khác Phần truyền tải, đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của một HTĐ bao gồm các đường dây cao áp, và máy biến áp truyền tải. Phần phân phối, nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải. Đây cũng là phần có nhiều các nút nhất trong hệ thống điện, với nhiều loại phụ tải khác nhau. Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường thì HTĐ cần thoả mãn các điều kiện về an ninh, tin cậy, đảm bảo chất lượng điện năng, và yêu cầu về kinh tế. Cần thiết phải trang bị hệ thống bảo vệ chống mất điện diện rộng. Vì công tác vận hành cho thấy rằng, để có thể kịp thời đưa ra các lệnh điều độ phù hợp nhằm ngăn chặn các sự cố mất điện diện rộng, nhân viên vận hành cần được trang bị các công cụ đủ mạnh để phân tích, đưa ra được các cảnh báo nhanh chóng, chính xác về tình trạng vận hành của hệ thống điện trong hệ thời gian thực. Thậm chí, hệ thống điện cần được trang bị các bảo vệ để thực hiện một loạt các hành động tự động trước khi hệ thống bị tách ra hoặc phân chia theo cách thức có thể kiểm soát được. Các sự cố diện rộng có thể xảy ra khi hệ thống vận hành ở chế độ biên, xuất phát từ một hoặc một vài phần tử bị tách ra khỏi vận hành và gây phản ứng dây chuyền dẫn đến việc một loạt các phần tử bị tách ra khỏi vận hành. Trong khi đó, nhược điểm lớn của các hệ thống điều khiển và giám sát truyền thống là không cung cấp được các hình ảnh mang tính động của hệ thống nghĩa là các nhân viên vận hành không có được bức tranh tổng thể xem cái gì đang diễn ra trên hệ thống. Hơn nữa sự cố mất điện diện rộng có thể xuất hiện và diễn biến trong thời gian ngắn, mà bản thân người vận hành không thể kịp đưa ra các phân tích hay tính toán nhằm đưa ra được các quyết định hợp lý. Các mạch sa thải & 1
2. liên động hiện hữu trong trường hợp tác động đúng sẽ có tác dụng phòng tránh sự cố lan rộng. Tuy nhiên, các mạch này được thiết kế cho những trường hợp cụ thể và có thể không đạt hiệu quả mong muốn khi cấu hình hệ thống thay đổi. Ngày nay, việc đo góc pha đồng bộ được ứng dụng chủ yếu cho việc xác thực các mô hình hoá hệ thống điện, phân tích sau sự cố, hiển thị thời gian thực và hứa hẹn sẽ ngày càng có vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy, ổn định và tính kinh tế của hệ thống điện thông qua việc điều khiển và trang bị phương thức bảo vệ thời gian thực. Trong một số chế độ vận hành cực đoan, nguy cơ xảy ra mất ổn định là rất cao (ví dụ sự cố ngày 26/04/2013 gây nhảy đường dây mạch kép Hà Tĩnh - Đà Nẵng sau khi 06 tụ bù dọc tại Hà Tĩnh và Nho Quan bị Bypass) [1]. Việc trang bị các bộ PMU (hoặc các bộ ghi sự cố có chức năng đo đồng bộ góc pha) để từng bước triển khai, khai thác các tính năng của PMU như tính năng cảnh báo tình trạng vận hành của hệ thống điện sẽ giúp cho người vận hành có được những phản ứng kịp thời và hiệu quả Hơn nữa, theo lộ trình triển khai xây dựng hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid) tại Việt Nam đã được Chính phủ phê duyệt (Quyết định số 1670/QĐ-TTg ngày 08/11/2012 về việc “Phê duyệt đề án phát triển Lưới điện Thông minh tại Việt Nam”) thì trong giai đoạn 2012 - 2016 sẽ: “Triển khai các ứng dụng nhằm tăng cường độ tin cậy, tối ưu vận hành lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối, giảm tổn thất điện năng; tăng cường hệ thống ghi sự cố, hệ thống phát hiện và chống sự cố mất điện diện rộng nhằm đảm bảo truyền tải an toàn trên hệ thống điện 500kV”. Do đó, việc trang bị các bộ đo góc pha cũng là bước quan trọng chuẩn bị cơ sở hạ tầng cho việc đáp ứng lộ trình triển khai lưới điện thông minh ở Việt Nam. 2. THIẾT BỊ ĐO GÓC PHA 2.1. Định nghĩa Theo định nghĩa của IEEE thì thiết bị đo góc pha (Phasor Measurement Unit-PMU) là thiết bị có khả năng đồng bộ góc pha, tần số và tốc độ thay đổi của tần số thông qua việc đo các tín hiệu điện áp và/hoặc dòng điện và tín hiệu đồng bộ thời gian. Thiết bị PMU có thể thực hiện các chức năng khác và được đặt tên theo các chức năng này (ví dụ: nếu thiết bị PMU có khả năng ghi lại dạng sóng của các tín hiệu đo sẽ được gọi là thiết bị ghi sự cố). 2.2. Chức năng đồng bộ pha của PMU - Phân tích sự nhiễu động (Disturbance Analysis) - Điều tra sự kiện hệ thống (System event investigation) - Phát hiện hư hỏng thiết bị (Equipment failure discovery) - Đánh giá tính ổn định của hệ thống (Stability System) - Hỗ trợ vận hành (Operation Supports) 2.3. Ứng dụng của PMU trong HTĐ a. Giám sát diện rộng Nhiệm vụ - Hiển thị real-time các thông số HTĐ - Cảnh cáo real-time các thông số khi nó vượt giới hạn cho phép Dữ liệu từ PMU giúp Hệ thống giám sát diện rộng (WAMs): - Đánh giá tính ổn định của hệ thống (Stability System) - Hỗ trợ vận hành (Operation Supports) 2
3. Hình 1: Sơ đồ kết hợp PMU vào WAMS Cấu trúc điển hình của WAMS Hình 2: Cấu trúc điển hình của WAMs Trong đó:  Các bộ đo góc pha (PMU): - Đo được đại lượng góc pha theo chuẩn IEEEC37.118 - Dữ liệu đo được đồng bộ thời gian qua GPS - Có khả năng kết nối với các PC, PDC theo chuẩn truyền thông và chu kỳ gửi dữ liệu là 10-50 frame report/s.  Các bộ thu thập dữ liệu góc pha (Phase Data Concentrator-PDC): là một hệ thống các thiết bị phần cứng, phần mềm a. Dòng dữ liệu WAMS chủ yếu dựa trên các bộ đo góc pha, về tính năng tiên tiến hơn so với các thiết bị đầu cuối ở xa (Remote Terminal Unit – RTU) truyền thống. b. Ứng dụng off-line - Phân tích sau sự cố kiểm tra đánh giá: thông qua các giá trị đo được trong sự cố để đánh giá phản ứng của hệ thống. - Hỗ trợ công tác tính toán. 3
4. Hình 3: Sơ đồ vận hành của điều khiển diện rộng (WACS) c. Bảo vệ diện rộng - Sa thải nguồn/tải tự động khi xảy ra sự cố - Tách/cô lập các phần tử hoặc khu vực bị sự cố ra khỏi hệ thống - Trực tiếp trao đổi giá trị góc pha giữa các thiết bị bảo vệ, cải thiện đáp ứng của các thiết bị bảo vệ. 3. PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG QUAN SÁT CỦA HỆ THỐNG CÓ CHỨA CÁC BỘ ĐO GÓC PHA 3.1. Mục đích sử dụng PMU Sử dụng các bộ xử lý vector pha (PMU) [2], [3]: mục đích chính của PMU là cải thiện việc phân tích các thông số để theo dõi và điều khiển HTĐ. Các PMU được định vị để giám sát các máy phát lớn, các đường truyền tải chính và các nút quan trọng. Hình 4 cho thấy sơ đồ khối của PMU: nhận tín hiệu từ hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS và phát ra xung đồng bộ lấy mẫu khóa pha tới hệ thống chuyển đổi tương tự - số (A/D). Dữ liệu đã được lấy mẫu được chuyển thành một số phức (vector pha). Các vector pha đồng bộ hóa cung cấp tất cả các thông số quan trọng bao gồm tần số, modul, góc pha của dòng điện và điện áp. Các phép đo từ các điểm xa nhau trong một khu vực rộng được so sánh, đồng bộ hóa chính xác dựa trên các tác động điều khiển. Hình 4: Sơ đồ khối của thiết bị đo vector pha PMU 4
5. 3.2. Khả năng quan sát của PMU tại các nút Thông tin về dòng điện, điện áp của PMU được cung cấp từ các BI, BU; tổng trở lấy từ các rơle số bảo vệ khoảng cách. Kết hợp thông tin do PMU tính toán được và thông tin đo được trực tiếp sẽ có những phán đoán thích hợp. Điều này cho thấy khi đặt PMU ở nút nào đó thì PMU này sẽ quan sát được tất cả các nút nối với nút đó. Như vậy, bằng việc dùng một xung đồng bộ hóa từ bộ thu GPS, các thông số đo có thể được đặt vào một hệ quy chiếu thời gian chung và tất cả các rơle số đều có thể nhận các thông số đo vector pha đồng bộ lấy từ các cổng nối tiếp của PMU. Các PMU trao đổi thông tin với bộ tập trung dữ liệu vector pha (hình 5) nhằm theo dõi vận hành, phân tích ổn định và cảnh báo sự cố. Hình 5: Hệ thống đo lường và xử lí dữ liệu vector pha 3.3. Phương pháp tìm vị trí đặt tối ưu của PMU Tới đây, đã rõ tác dụng của PMU, vấn đề đặt ra tiếp theo là tìm vị trí đặt tối ưu của PMU, tài liệu [4] đã chỉ ra một số phương pháp như sau: - Phương pháp cây bao trùm: khi cây bao trùm qua tất cả các nút được thành lập, thuật toán sẽ chạy dọc theo cây và đặt một PMU ở các nút thứ ba tính từ các nút đặt PMU gần nhất. - Phương pháp xếp hạng nút, nội dung của phương pháp này được thực hiện qua ba bước sau: Bước 1: Xếp hạng các nút. Độ quan trọng của các nút được xác định thông qua số nút có liên hệ với nó. Nếu các nút có cùng số lượng nút nối với nó thì ta sẽ so sánh mức độ quan trọng của các nút liên hệ với hai nút này. Bước 2: Đặt PMU ở các nút kề với các nút đầu mút. Bước 3: Loại bỏ các nút đã quan sát được, đặt PMU ở nút có mức quan trọng lớn nhất tiếp theo. Lặp lại bước này cho tới khi toàn bộ lưới đều quan sát được. Hình 6 là sơ đồ quy hoạch HTÐ 500kV Việt Nam [5]. HTÐ Việt Nam phát triển theo trục Bắc Nam nên ta có thể xác định được sơ bộ vị trí đặt của các PMU để quan sát các nút theo phương pháp cây bao trùm và xếp hạng nút như sau: Bắt đầu đặt PMU từ nút Quảng Ninh, Sơn La là nút tương đối quan trọng và liền kề với các nút cuối, ta có thể tìm được vị trí của các PMU còn lại. Nút Phú Mỹ nối với nhiều nút quan trọng hơn nên chọn Phú Mỹ là nơi đặt PMU tiếp theo. Còn lại nút Nha Trang, Thủ Ðức chưa quan sát được nên ta sẽ đặt PMU tại các nút này. Kết quả chỉ ra, có thể đặt các PMU trên đường dây 500kV Việt Nam tại các nút sau: Quảng Ninh, Sơn La, Hà Tĩnh, Pleiku, Phú Lâm, Phú Mỹ, Nha Trang, Thủ Ðức. Hình 6: Sơ đồ quy hoạch HTĐ 500kV Việt Nam 5
6. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đưa ra những tác hại của dạng sự cố diện rộng xảy ra trong HTĐ và sự cần thiết để bố trí PMU vào HTĐ. Bên cạnh việc lắp đặt PMU nhiều hơn để WAPS có thể được áp dụng rộng rãi cho toàn bộ các cấp điện áp trong HTĐ. Khi đó vị trí của PMU phải xác định trên cơ sở thành lập sơ đồ rút gọn tổng thể, phân tích cấu trúc lưới, các nút chính hay máy phát chính, tầm quan trọng của mỗi vị trí và sự cho phép mở rộng của các thiết bị truyền thông. Hệ thống bảo vệ diện rộng (WAPS) giúp cho quá trình dự đoán, cập nhật thông tin về các trạng thái của hệ thống điện trong thời gian thực liên tục hơn. Các chuyên gia sẽ phân tích các thông tin về tải, máy phát, cấu trúc lưới nhanh hơn hệ thống bảo vệ truyền thống và do đó ngăn cản các sự cố diện rộng tốt hơn. Trên cơ sở đó, luận văn mong muốn đề xuất nghiên cứu để thiết lập WAPS có kết hợp với PMU cho hệ thống điện 500kV Việt Nam. Hướng phát triển: - Điều khiển và bảo vệ giám sát diện rộng (WAMPAC) có sử dụng Model PMU trong Matlab/Simulink. - Áp dụng phương pháp đã đề xuất trong bài báo để triển khai vào HTĐ phức tạp. - Lắp đặt PMU vào các nhà máy điện gió để quan sát, phát hiện những hiện tượng nhấp nháy điện áp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Báo cáo vận hành lưới điện quốc gia năm 2014. [2]. K.E. Martin, “Phasor Measurements at the Bonneville Power Administration,” in Proc. CRIS Conference on Power Systems and Communications Infrastructures for the Future, Beijing, China, 2002. [3]. A.G. Phadke, J.S. Thorpe and M. G. Adamiak, “A New Measurement Technique of Tracking Voltage Phasors, Local System Frequency and Rate of Change of Frequency” IEEE Trans. Power App.& Syst, 1993. [4]. Bei Xu and Ali Abur, “Optimal Placement of Phasor Measurement Units for State Estimation”, final project report, Texas A&M University, PSERC Publication 05-58, USA, 2005. [5]. “Tổng sơ đồ 6”, Quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét đến năm 2025. 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.