Nghiên cứu đánh giá hệ thống quan trắc, giám sát và cảnh báo dông sét và hiệu quả của hệ thống đối với lưới truyền tải điện Việt Nam Tóm tắt: Bài báo giới thiệu hệ thống quan trắc giám sát và cảnh báo dông sét theo thời gian thực được lắp đặt trên lãnh thổ Việt Nam. Hệ thống được xây dựng nhằm theo dõi các hoạt động dông sét với độ chính xác cao, giúp các đơn vị quản lý định vị, xử lý nhanh chóng các sự cố do sét. Bài báo phân tích, đánh giá tiềm năng và hiệu quả của hệ thống trong việc giúp các các đơn vị điều độ lưới truyền tải xử lý nhanh chóng các sự cố do sét (mà trước đó chỉ có thể phỏng đoán) và xây dựng các biện pháp phòng ngừa một cách tối ưu, giảm số giờ cắt điện do sự cố dông sét lưới điện truyền tải của Tổng công ty truyền tải điện quốc gia (EVNNPT).
Nghiên cứu đánh giá hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét hiệu hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam Vũ Thanh Hải 1, Nguyễn Hữu Kiên1, Phạm Hùng1, Trương Khánh Điệp1, Mai Văn Tài1; Nguyễn Đức Hạnh2, Lê Việt Cường2; Ngơ Minh Thành3 Phịng Thí nghiệm trọng điểm Điện cao áp – Viện Năng lượng; 2Viện Năng lượng 3Công ty truyền tải Điện – Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia Tóm tắt: Bài báo giới thiệu hệ thống quan trắc giám sát cảnh báo dông sét theo thời gian thực lắp đặt lãnh thổ Việt Nam Hệ thống xây dựng nhằm theo dõi hoạt động dơng sét với độ xác cao, giúp đơn vị quản lý định vị, xử lý nhanh chóng cố sét Bài báo phân tích, đánh giá tiềm hiệu hệ thống việc giúp các đơn vị điều độ lưới truyền tải xử lý nhanh chóng cố sét (mà trước đốn) xây dựng biện pháp phịng ngừa cách tối ưu, giảm số cắt điện cố dông sét lưới điện truyền tải Tổng công ty truyền tải điện quốc gia (EVNNPT) Từ khóa: CG (Mây Đất), EVNNPT (Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia), GPS (Hệ thống định vị toàn cầu), IC (tia sét mây), LLS (Hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét), MDF (Định hướng từ), PTC1 (Công ty truyền tải Điện 1, TOA (Thời gian tới), VLF/LF (Tần số thấp/Tần số thấp) Đặt vấn đề Việt Nam nằm tâm dông châu Á, ba tâm dông giới khu vực có mật độ phóng điện sét cao [1] Nhìn đồ vệ tinh thấy rõ ba tâm dơng hoạt động mạnh tồn cầu (hình 1) Hình Bản đồ phân bố mật độ phóng điện sét trung bình năm 2014-2018 (Nguồn: VAISALA) Trung bình hàng năm Việt Nam có khoảng triệu cú sét đánh xuống đất Mùa dông sét thường kéo dài, từ tháng đến tháng 10, tháng cao điểm tùy thuộc vào khu vực Dông sét Việt Nam có độ chênh lệch lớn mức độ theo vùng Có nơi có số dông nhỏ Phan Rang, đạt 55 giờ/năm; lại có nơi đạt số dơng tới 544 giờ/năm Móng Cái [2] Thiệt hại sét gây cho hệ thống điện nước ta nghiêm trọng Có thể nói tượng phóng điện sét – đặc biệt cú sét dạng mây – đất CG (Cloud to Ground) – nguyên nhân gây cố hệ thống điện Hình Thống kê cố sét NPT từ 2011 đến 5/2020 (Nguồn: EVNNPT 2020) Ngày việc sản xuất, truyền tải phân phối điện chuyển sang hoạt động theo chế thị trường, thiệt hại điện gây ngành điện phải bồi thường, yêu cầu đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện đặc biệt quan tâm, từ khía cạnh độ tin cậy vấn đề bảo vệ chống sét Để bảo vệ lưới điện, cần phải tiếp cận giải pháp chủ động phòng chống sét dựa sở hệ thống phát hiện, cảnh báo giám sát dơng sét có độ tin cậy cao nhằm đưa biện pháp ngăn ngừa nguy tiềm giảm thiểu cố sét [3] Nội dung nghiên cứu phân tích đề xuất giải pháp cho hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét sở phương pháp phát định vị sét hành với mục tiêu phục vụ công tác vận hành an toàn hiệu lưới điện truyền tải Việt Nam Trên sở vận hành hệ thống thiết lập, nghiên cứu phân tích đánh giá số kết thu nhận ban đầu hệ thống lưới truyền tải thuộc Công ty truyền tải điện – Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia EVNNPT Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Tổng quan phương pháp định vị sét Theo Tiêu chuẩn IEC 62793 “Các hệ thống cảnh báo dơng sét – Bảo vệ chống sét” [4], chu trình hay vịng đời dơng chia thành pha: i) pha hình thành; ii) pha phát triển; iii) pha trưởng thành; iv) pha tan rã Cũng theo tiêu chuẩn này, hệ thống phát cảnh báo dông sét phân loại theo trình phát hiện, giám sát pha phát triển dơng theo dạng phóng điện sét phát (dạng mâymây mây-đất) Tuy nhiên, hệ thống phát cảnh báo dơng sét phát nhiều dạng phóng điện sét phụ thuộc vào phương pháp phát định vị cú sét Căn theo phương pháp phát định vị dơng sét có loại cảm biến phát định vị với kỹ thuật khác nhau, cụ thể: FSM/ đo cường độ trường; MDF/định hướng từ; TOA/thời gian tới; RFI/ giao thoa tần số vô tuyến; RF/ đo cường độ tín hiệu tần số vơ tuyến Bảng Phương pháp phát định vị dông sét STT Phương pháp phát định vị cú sét Dải tần số sử dụng để phát định vị sét Khoảng cách phát giông FSM (Đo Phát trình điện Khoảng cường độ pha dông thông qua trường 20 km trường) tĩnh điện DC MDF (Định Phát di chuyển điện tích Rất xa hướng từ) đám mây dơng pha với dải tần số làm việc VLF/tần số cực thấp (3kHz tới 30kHz) TOA (Thời Phát cú sét mây-mây mây- 200 km gian tới) đất giai đoạn hình thành tiên đạo pha đám mây dông với dải tần số làm việc VHF/tần số cao (30MHz tới 300MHz) RFI (Giao LF/tần số thấp (30kHz tới 300kHz) 300 km thoa tần số vô tuyến) Kết hợp TOA Phát xạ điện từ trường từ 600 km với MDF cú sét (tức dòng điện sét) pha đám mây dông với dải tần số làm việc VLF/LF Định vị cú sét Phục vụ mục tiêu cảnh báo sớm tầm ngắn Hiệu thấp độ xác định vị sét khơng cao Độ xác cao Độ xác cao Độ xác cao Như vậy, thấy để đáp ứng mục tiêu xây dựng hệ thống phát hiện, giám sát cảnh báo dông sét cho hệ thống điện bao gồm đường dây truyền tải điện trạm biến áp trải dài phạm vi nước phương pháp phát định vị sét nguyên lý kết hợp TOA với MDF giải pháp phù hợp có số tính ưu việt sau: - Hệ thống bao phủ vùng rộng lớn với độ xác cao, phát hiệu quả, độ xác phân loại; - Đạt bao phủ lớn độ tin cậy với số lượng cảm biến hơn; - Định vị cú sét không bị ảnh hưởng việc cắt điện hay kết nối - Theo đánh giá Tổ chức khí tượng giới hiệu phát cú sét đánh mây-đất [5]: Hệ thống kiểu TOA phát sét đáng kể so với hệ thống kiểu kết hợp MDFTOA (cùng với số lượng cảm biến nhau) 2.2 Lựa chọn giải pháp hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét EVNNPT 2.2.1 Yêu cầu sở thiết lập cấu hình hệ thống: Căn vào trạng vận hành lưới điện truyền tải nước, giải pháp hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét (sau viết tắt LLS – Lightning Location System) cần phải cung cấp thơng tin sau: - Sự hình thành, xuất dông sét tiềm gây nguy hiểm tới lưới điện truyền tải; đường đi, hướng dông; - Định vị cú sét đánh xuống đất từ đám mây dơng tới vị trí tuyến đường dây tải điện, trạm biến áp; - Xác định lưu trữ thông số cú sét đánh xuống đất (Mây – Đất), Mây – Mây như: thời gian xảy ra; vị trí (kinh độ/vĩ độ); loại sét “Mây đất” hay “Mây mây”; cực tính; biên độ dịng điện sét QUY TRÌNH THIẾT LẬP HỆ THỐNG ĐỐI TƯỢNG (HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN) XÁC ĐỊNH PHẠM VI BAO PHỦ CỦA HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VÙNG PHÁT HIỆN SÉT HIỆU DỤNG LỰA CHỌN CHỦNG LOẠI CẢM BIẾN YÊU CẦU VỀ BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU SÉT Quá trình thiết lập hệ thống LLS triển khai theo sơ đồ khối Hình Hình Sơ đồ khối quy trình thiết lập hệ thống LLS XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG CẢM BIẾN & VỊ TRÍ ĐẶT THIẾT LẬP CẤU HÌNH TỔNG THỂ HỆ THỐNG 2.2.2 Thiết lập cấu hình hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét lưới điện truyền tải Việt Nam: Phạm vi bao phủ hệ thống dựa cấu hình hệ thống truyền tải điện tồn đất nước; vùng có kích thước chiều ngang khoảng 900km chiều dài khoảng 2000km Phạm vi phát sét hiệu dụng bán kính hiệu dụng cảm biến, xác định 300km Hình Phạm vi phát sét cảm biến dông sét hệ thống quan trắc – giám sát – cảnh báo dông sét (Đường màu tím: phạm vi phát hiệu dụng) Các cảm biến hệ thống LLS phải sử dụng kết hợp phương pháp định hướng từ (MDF) thời gian tới (TOA) với dải tần số làm việc VLF/LF nhằm đem đến hiệu phát sét cao Vùng phát sét hiệu dụng đạt 95% sét mây-đất (CG) Độ xác định vị cú sét phải nhỏ 150 m Vị trí đặt cảm biến hệ thống LLS nhằm đạt hiệu phát cú sét mây-đất mong muốn (95%) cần tuân thủ nguyên tắc: i) Chỉ đặt cảm biến vực quản lý Truyền tải điện địa phương nhằm đảm bảo an toàn thiết bị có nguồn điện tin cậy để vận hành Ưu tiên vị trí có sẵn mạng WAN EVNNPT; ii) Chỉ đặt vị trí cụ thể sau tiến hành khảo sát địa điểm, đánh giá mức độ ảnh hưởng cường độ điện từ trường lên cảm biến thông số khác khí hậu, địa hình, nhiễu từ nguồn điện viễn thông; iii) Đối với cảm biến sử dụng phương pháp TOA kết hợp MDF để định vị cú sét cần cụm cảm biến với khoảng cách cảm biến không vượt 300km Với ngun tắc trên, hệ thống LLS tính tốn, thiết kế gồm 21 cảm biến phân bố hợp lý theo cấu hình hệ thống truyền tải điện Việt Nam, đảm bảo bao phủ vùng với kích thước 900x2000km (Hình 4) 2.2.3 Thiết lập qui mơ hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét: Với yêu cầu đặt cho hệ thống LLS sở luận điểm thiết lập hệ thống, qui mô cần phải trang bị bao gồm phần tử sau (Hình 5): - Hệ thống 21 cảm biến phát định vị cú sét, chủ yếu dạng mây-đất - Hệ thống xử lý trung tâm bao gồm server phần mềm chuyên dụng cho hệ thống quan trắc giám sát cảnh báo dông sét - Hệ thống hiển thị phân tích dơng sét : i) Phần mềm hiển thị cảnh báo sét theo thời gian thực Hệ thống hiển thị nhận liệu thô từ hệ thống xử lý trung tâm cho kết đồ dông sét, vị trí sét, hướng di chuyển hệ thống âm cảnh báo ii) Hệ thống phân tích sét bao gồm server, máy trạm phần mềm chuyên dụng cho hệ thống dông sét, ứng dụng tảng client-server đảm bảo tính ổn định an tồn Hình Cấu hình tổng thể hệ thống LLS Kết thảo luận Hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét (LLS) lắp đặt cho lưới truyền tải điện Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) đầu tư xây dựng theo giai đoạn; Viện Năng lượng – Bộ Công Thương đơn vị tư vấn thiết kế Giai đoạn dự án đầu tư triển khai từ 2017 tới 2019 với hệ thống LLS lắp đặt khu vực miền Bắc – Bắc Trung Bộ tới khu vực tỉnh Hà Tĩnh Giai đoạn dự án triển khai từ 2020 tới 2022, hệ thống LLS lắp đặt nốt khu vực miền Trung miền Nam Như vậy, hệ thống tổng thể phạm vi nước hiệu chỉnh vận hành hệ thống LLS chung cho hệ thống truyền tải điện EVNNPT Hệ thống sử dụng công nghệ, thiết bị phần mềm Tập đoàn Vaisala cung cấp Với việc vận hành hệ thống LLS toàn lãnh thổ Việt Nam bao phủ toàn lưới điện truyền tải EVNNPT, đơn vị vận hành hệ thống điện có khả theo dõi hình thành, phát triển hướng dịch chuyển đám mây dông cách chủ động theo thời gian thực, từ đưa cảnh báo sớm nhằm tối ưu hóa vận hành lưới điện tình dơng sét, ngăn ngừa giảm thiểu thiệt hại cố dông sét Hơn nữa, liệu thống kê hàng năm dông sét mật độ cú sét đánh xuống đất, cường độ cú sét đánh xuống đất, số ngày dông sét trung bình khu vực thu thập qua hệ thống LLS EVNNPT tạo thành sở liệu phục vụ đắc lực cho công tác vận hành, thiết kế lưới điện/trạm biến áp,… cách tối ưu với thơng số thực tế, qua giảm thiểu nguy cố dông sét vận hành Hình Thông số cú sét mây-đất vị trí sét đánh so với tuyến đường dây 575 Thủy Điện Sơn La Cụ thể, với năm vận hành hệ thống LLS khu vực phía Bắc Cơng ty Truyền tải điện quản lý cho thấy hiệu hệ thống việc phát hình thành di chuyển đám mây dơng, phát định vị cú sét đánh xuống đất Việc định vị cú sét đánh xuống đất (mây-đất) với độ xác cao giúp cho Cơng ty giảm đáng kể thời gian khắc phục cố dông sét đánh vào đường dây truyền tải xác định nguyên nhân cố Một số tình cố liên quan tới dông sét năm 2020 lưới điện truyền tải khu vực miền Bắc Công ty Truyền điện quản lý làm rõ xác định nhanh chóng vị trí xảy cố qua vận hành hệ thống LLS Cụ thể, lúc 12h33’ ngày 25/1/2020 phát sinh cố đường dây 575 TĐ Sơn La (A17.0) – 575 Nho Quan Hệ thống quan trắc sét ghi nhận lúc 12h33’54,435’’ có cú sét với tọa độ 20,5209; 105,3259; cường độ -12kA, dạng sét mây-đất, cách vị trí cột 446 (vị trí cố) khoảng 550m, cách điểm gần khoảng cột 444-445 khoảng 70m, cách cột gần 183m Vị trí xảy cố nhanh chóng định vị; sau kiểm tra xác nhận vị trí cột 446 có vết phóng điện pha C (trái) (Hình 6) Trong trường hợp khác, vào lúc 22h26’ ngày 9/5/2020 xảy cố đường dây 582 Hà Tĩnh (TBA500HT) – 571 Nho Quan (TBA500NQ) Theo hệ thống quan trắc sét ghi nhận được, lúc 22h26’48.202’’ có 01 cú sét tọa độ 19.0242, 105.4627 với cường độ -14kA, dạng sét mây-mây, cách vị trí 279 (sự cố) khoảng 597 m Vị trí xảy cố nhanh chóng định vị; sau kiểm tra phát vị trí 279 (TK 280) có vết phóng điện pha C (phải) (Hình 7) Hình Thơng số cú sét mây-đất vị trí sét đánh so với tuyến đường dây tải điện 582 Hà Tĩnh Ngoài chức định vị cú sét đánh xuống đất, hệ thống LLS cịn theo dõi hình thành, phát triển hướng đám mây dông với mục tiêu đánh giá nguy xảy cố cho tuyến đường dây tải điện, từ đề xuất biện pháp phịng ngừa thích hợp Hình 10 hình ảnh đám mây dơng thu nhận qua hệ thống LLS khu vực quản lý Công ty Truyền tải điện (khu vực miền Bắc) Hình Sự hình thành dịch chuyển đám mây dông Kết luận Hệ thống quan trắc, giám sát cảnh báo dông sét LLS lắp đặt, hiệu chỉnh vận hành Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia vận hành năm kể từ hệ thống thuộc giai đoạn vào hoạt động năm 2019 Hệ thống LLS cho thấy khả hoạt động hiệu hệ thống tính xác cơng tác tính tốn, thiết kế Cụ thể bao gồm: Thứ nhất, khả cảnh báo từ xa q trình hình thành dơng nhằm chủ động phương thức vận hành lưới điện truyền tải Thứ hai, khả xác định nhanh xác điểm cố cố có nguyên nhân sét Thời gian tìm điểm cố rút ngắn tới 70% so với trước đây, hệ thống LLS chưa vận hành Việc xác định nhanh chóng cố tuyến đường dây dài hàng chục hay hàng trăm km góp phần làm giảm thời gian cắt điện, khắc phục cố Thứ ba, với quan trắc sét đầu vào, sở liệu dông sét thu thập kết hợp với phần mềm EMTP phục vụ cho việc quản lý vận hành lưới truyền tải EVNNPT cách tối ưu xác định suất cắt điện sét dường dây; có tiêu chí bảo vệ dơng sét trình bảo dưỡng, sửa chữa khắc phục cố lưới truyền tải Thứ tư, sở liệu dông sét thu thập (biên độ, mật độ sét khu vực, tính tốn suất cắt ) phục vụ cho việc hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia đồ dơng sét xây dựng tiêu chí thiết kế, thi công đường dây tải điện, phối hợp cách điện trạm biến áp truyền tải cách tối ưu, giảm giá thành đầu tư đảm bảo hiệu bảo vệ chống sét Hơn nữa, tương lai, hệ thống LLS tham gia vào trình phát triển ứng dụng cơng nghệ AI, liệu lớn… hỗ trợ đắc lực quan điều độ hệ thống điện quốc gia chủ động công tác dự báo, lập kế hoạch điều độ lưới truyền tải tình phát sinh nguy dơng sét lên tuyến đường dây truyền tải điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viện Vật lý địa cầu; Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Nhà nước giai đoạn 20022005 “Nghiên cứu hoạt động dông sét đề xuất giải pháp phòng chống sét Việt Nam”, HN 2005 [2] Viện Vật lý địa cầu; Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Nhà nước giai đoạn 20022005 “Nghiên cứu hoạt động dông sét đề xuất giải pháp phòng chống sét Việt Nam”, HN 2005, Tr.174 [3] Hu, H., Fang, M., Zhang, Y., Jing, L., & Hu, F (2021) Dynamic lightning protection method of electric power systems based on the large data characteristics International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 128, 106728 [4] Tiêu chuẩn IEC 62793 “Các hệ thống cảnh báo dông sét – Bảo vệ chống sét”, IEC 62793 “Thunderstorm warning systems – Protection against lightning » 2020 [5] 2015-WMO Report on the Performance Evaluation of the VLFLF Lightning Sensors [6] Perez, E., Espinosa, J., & Aranguren, D (2020) On the development of dynamic stroke density for transmission line for power system operational applications International Journal of Electrical Power [7] Okabe, S., & Takami, J (2011) Occurrence probability of lightning failure rates at substations in consideration of lightning stroke current waveforms IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 18(1), 221–231 [8] Yijun Huang, Yadong Fan , Li Cai , Si Cheng , and Jianguo Wang: A New Thunderstorm Identification Algorithm Based on Total Lightning Activity; School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan, China [9] Tài liệu báo cáo khả thi thiết kế kỹ thuật dự án đầu tư xây dựng hệ thống quan trắc giám sát cảnh báo dông sét Tổng Công ty truyền tải điện quốc gia, Viện Năng lượng 2017, 2019 [10] Dữ liệu vận hành hệ thống LLS Công ty truyền tải điện – EVNNPT, 2019 ÷ 2021 10