Nghiên cứu xây dựng thuật toán lọc, xếp hạng và đánh giá sự cố gây mất ổn định quá độ hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ CHÍ LINH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN LỌC, XẾP HẠNG VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ CỐ GÂY MẤT ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành mạng hệ thống điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TSKH Trần Kỳ Phúc Hà Nội – 2010 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Việt HTĐ : Hệ thống điện QTQĐ : Quá trình độ CĐXL : Chế độ xác lập TĐK : Tự động điều khiển kích từ SĐĐ : Suất điện động Tiếng Anh FACTS : Flexible AC Transmission Systems IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers PSS : Power System Stabilyzer DSA : Dynamic Security Assessment TSA : Transient Security Assessment VSA : Voltage Security Assessment TS : Training Simulator MS : Market Simulator SIME : SIngle Machine Equivalent OMIB : One-Machine Infinite Bus FILTRA : Filtering, Ranking and Assessment CT : Clearing times CCT : Critical clearing times H : Harmless D : Dangerous PD : Potentially Dangerous FSU : First-Swing Unstable FSS : First-Swing Stable MỤC LỤC MỞ ĐẦU Đặc điểm hệ thống điện đại yêu cầu liên quan đến toán phân tích điều khiển ổn định Mô hình chi tiết mô hình đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, áp dụng tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện Sự phát triển hệ thống điện Việt Nam vấn đề tính toán phân tích ổn định động Lý chọn đề tài mục đích nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu .9 Lĩnh vực ứng dụng 10 CHƯƠNG 11 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 11 1.1 ỔN ĐỊNH ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 11 1.2 MÔ HÌNH CHI TIẾT VÀ MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN HÓA QTQĐ KHI NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN .16 1.2.1 Các thành phần mô hình chi tiết .16 1.2.2 Nghiên cứu QTQĐ theo mức đơn giản hóa mô hình khác 23 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG .28 1.4 VẤN ĐỀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HTĐ .32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 33 CHƯƠNG II 34 XÂY DỰNG CẤU HÌNH CHUNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ .34 AN NINH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 34 TỔNG QUAN 34 1.1 Đặt vấn đề .34 1.2 Các bước xây dựng hệ thống DSA 35 1.3 Cấu trúc toán đánh giá an ninh HTĐ .36 1.4 Công cụ tính toán đánh giá an ninh HTĐ 37 1.5 Hạ tầng thông tin - đo lường phục vụ đánh giá an ninh HTĐ 38 XÂY DỰNG CẤU HÌNH CHUNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ GIÁM SÁT AN NINH ĐỘNG DSA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM .39 2.1 Nhiệm vụ phương pháp giải 39 2.1.1 Nhiệm vụ tính yêu cầu hệ thống DSA 39 2.1.2 Phương pháp giải toán hệ thống DSA .40 2.2 Thiết kế định hướng hệ thống DSA hệ thống điện Việt Nam 41 2.3 Cấu hình phần cứng hệ thống đánh giá an ninh động 42 2.4 Cấu hình phần mềm .43 2.4.1 Mô tả chất phần mềm DSA 43 2.4.2 Các thành phần hệ thống DSA 44 2.4.3 Cấu hình phần mềm hệ thống DSA 45 2.4.4 Thu thập liệu 46 2.4.5 Ví dụ biểu đồ thuật toán vận hành online hệ thống DSA 47 2.4.6 Vận hành off-line hệ thống DSA 48 2.4.7Các phần mềm chức ứng dụng hệ thống DSA 50 2.4.8 Hiển thị kết đánh giá an ninh động DSA 51 KẾT LUẬN 52 CHƯƠNG III 53 PHƯƠNG PHÁP LỌC, XẾP HẠNG VÀ ĐÁNH GIÁ .53 CÁC SỰ CỐ GÂY MẤT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 53 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MỘT MÁY PHÁT ĐẲNG TRỊ (SIME) 53 1.1 Phương pháp SIME 53 1.2 Phân loại tổ máy thành nhóm Critical non-Critical 54 1.3 Xác định thông số nhóm máy phát .56 1.4 Xác định thông số máy phát đẳng trị tương đương 59 1.5 Đánh giá khả ổn định hệ thống dựa vào đặc tính OMIB 61 PHƯƠNG PHÁP LỌC, XẾP HẠNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC SỰ CỐ GÂY MẤT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN .69 2.1 Giới thiệu .69 2.2 Phương pháp lọc - xếp hạng - đánh giá biến cố 70 2.3 Minh họa cấu trúc đặc biệt 73 2.4 Thuật toán lọc - xếp hạng - đánh giá 76 KẾT LUẬN 82 CHƯƠNG 83 KẾT QUẢ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ 83 KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG .83 Kết phần mềm VNDSA với mô hình hệ thống nhỏ 83 Nhận xét .89 KẾT LUẬN 90 MỞ ĐẦU Đặc điểm hệ thống điện đại yêu cầu liên quan đến toán phân tích điều khiển ổn định Cùng với phát triển đời sống xã hội hệ thống điện quốc gia có quy mô công suất ngày lớn, cấu trúc lưới ngày phức tạp Hầu không tồn hệ thống điện khu vực hoạt động độc lập với vài nhà máy điện Đặc điểm làm thay đổi chất hệ thống điện đại : mang đặc trưng hệ thống lớn phức tạp Hệ thống điện Việt Nam sau hợp đường dây siêu cao áp 500 KV Bắc – Trung – Nam trở thành HTĐ hợp liên kết số lượng lớn nguồn phụ tải miền Nhiều toán thiết kế vận hành HTĐ trước đòi hỏi phải xem xét lại với thay đổi mô nội dung phương pháp giải Chẳng hạn tính đa dạng chủng loại nguồn (thủy điện; nhiệt điện than; dầu; nhiệt điện khí chu trình hỗn hợp…) HTĐ đòi hỏi giải toán vận hành kinh tế hệ thống theo mô hình tổng quát Các đường dây dài điện áp siêu cao bị giới hạn công suất truyển tải theo điều kiện ổn định tĩnh làm phức tạp thêm đáng kể thuật toán giải (cần xét đến ràng buộc giới hạn công suất trao đổi khu vực) … Đặc biệt, toán đánh giá độ tin cậy, phân tích tính ổn định hệ thống không áp dụng mô hình thuật toán đơn giản tài liệu kinh điển trước đây.Trong yêu cầu đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy làm việc hệ thống lại đòi hỏi ngày cao Những thay đổi làm phức tạp thêm nhiều cho toán phân tích điều khiển hệ thống điện Mô hình chi tiết mô hình đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, áp dụng tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện Để nghiên cứu đặc trưng động HTĐ người ta áp dụng mô hình đầy đủ (chi tiết) mô hình đơn giản hóa trình độ (QTQĐ) Mô hình đơn giản hóa: mô hình nhận sau áp dụng phép thay xấp xỉ tương đương: - Áp dụng phép đẳng trị sơ đồ : Từ sơ đồ phức tạp đưa sơ đồ hệ thống xấp xỉ tương đương gồm máy phát đẳng trị; - Chấp nhận gần hiệu tác động thiết bị tự động điều chỉnh điều khiển, ví dụ coi TĐK tác động tỉ lệ giữ sức điện động độ E’q không đổi, TĐK tác động mạnh giữ điện áp đầu cực máy phát không đổi, công suất tua - bin số … Mô hình chi tiết: xét đến diễn biến QTQĐ tự động điều chỉnh điều khiển, hệ thống có nhiều máy phát làm việc sơ đồ đầy đủ cấu trúc lưới Tùy theo đặc điểm HTĐ mục đích nghiên cứu người ta phối hợp phép đơn giản hóa để định dạng mô hình: a) Xét cấu trúc đầy đủ theo sơ đồ áp dụng mô hình gần tự động điều chỉnh điều khiển; b) Áp dụng cấu trúc đẳng trị đơn giản sơ đồ hệ thống xét đầy đủ mô hình tự động điều chỉnh điều khiển; c) Đơn giản hóa sơ đồ cấu trúc hệ thống thiết bị tự động điều chỉnh điều khiển; Dễ thấy với cấu trúc hệ thống điện trước đây, bao gồm không nhiều số lượng nhà máy điện, chủng loại máy phát, phép đẳng trị đưa hệ thống sơ đồ tương đương đơn giản điển hình (1 đến máy phát) không làm thay đổi đặc trưng trình (dạng c) Hiệu ứng tác động hiệu thiết bị điều tốc TĐK có dạng đơn điệu thay đường thẳng đường cong xấp xỉ Việc nghiên cứu phân tích đơn giản nhiều giữ độ xác cần thiết Với HTĐ đại phức tạp nay, nói chung phép đơn giản hóa áp dụng hạn chế số trường hợp cụ thể Ví dụ, đánh giá sơ tính ổn đinh hệ thống thiết kế mở rộng lưới điện nguồn (có thể áp dụng mô hình dạng a), nghiên cứu chỉnh định thiết bị tự động lần đầu làm việc hệ thống (có thể sử dụng mô hình dạng b)… Để nghiên cứu ổn định phục vụ mục đích bảo vệ vận hành, nói chúng cần sử dụng mô hình đầy đủ Sự phát triển hệ thống điện Việt Nam vấn đề tính toán phân tích ổn định động Hệ thống 500kV gồm đường dây truyền tải dài gần 1500 km trạm biến áp Hòa Bình, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, Phú Lâm liên kết hệ thống điện Việt Nam thành hệ thống hợp từ năm 1994 Hệ thống 500kV làm thay đổi đáng kể mặt cấu trúc hệ thống điện Việt Nam Bên cạnh ưu việt hệ thống lớn tạo điều kiện hỗ trợ công suất tác dụng khu vực, nâng cao hiệu vận hành kinh tế đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện chất lượng điện đến hộ tiêu thụ; hệ thống điện Việt Nam ngày trở nên phức tạp mặt cấu trúc, đa dạng công nghệ phát điện quy mô công suất nguồn, đặc biệt bao gồm tổ máy có công suất lớn Ngoài tính phức tạp sơ đồ lưới xác suất xảy cố lớn từ đường dây dài 500kV ảnh hưởng nhiều đến tính chất chung ổn định hệ thống điện Nhận rõ vai trò quan trọng vấn đề từ giai đoạn thiết kế đường dây siêu cao áp 500kV nhiều quan thiết kế tư vấn nước tiến hành tính toán phân tích đặc trưng ổn định hệ thống điện hợp Việt Nam [1, 3] Ngoài tính toán chuyên gia Việt Nam, nghiên cứu tư vấn Nippon Koei (Nhật Bản), PPI/SECVI ( Úc) ổn định độ HTĐ Việt Nam sau liên kết đường dây 500kV đưa kết quan trọng, giúp lựa chọn hợp lý phương án kết dây lắp đặt hệ thống thiết bị bù Tuy nhiên tính toán thực dựa mô hình có mức độ đơn giản hóa hệ thống định Hơn nữa, từ sau đường dây đưa vào vận hành đến cấu trúc hệ thống điện Việt Nam thay đổi nhiều quy mô công suất nguồn sơ đồ lưới điện, ảnh hưởng nhiều đến tính chất ổn định hệ thống điện QTQĐ sau cố hệ thống nhiều tổ máy lớn nước ta diễn phức tạp Trong thực tế vận hành, có tượng nhiều cố mà sau dẫn đến hệ thống bị tan rã, nguyên nhân chắn có liên quan nhiều đến vấn đề ổn định hệ thống Mặt khác theo tổng sơ đồ phát triển HTĐ Việt Nam (đến năm 2015) lưới 500kV Việt Nam tăng trưởng phạm vi rộng: Từ nhà máy thủy điện Sơn La đến Cà Mau với tổng chiều dài lên tới 5000km Nhiều nhà máy điện lớn đưa vào vận hành Sơn La, Nhơn Trạch, Ô Môn… Những đặc điểm vừa nêu thể yêu cầu cấp thiết phải có nghiên cứu vấn đề ổn định hệ thống, đặc biệt nghiên cứu đặc trưng động hệ thống điện phức tạp tương ứng với sơ đồ HTĐ Việt Nam phát triển tương lai Có thể nói, tính toán nghiên cứu nội dung hạn chế, thiếu nghiên cứu nghiêm túc ổn định động hệ thống tương ứng với thông số sơ đồ đặc trưng HTĐ Việt Nam Lý chọn đề tài mục đích nghiên cứu luận án Từ trạng nhiều vấn đề hệ thống điện Việt Nam cần quan tâm phân tích thấy vấn đề nghiên cứu ổn định động nâng cao ổn định nội dung có ý nghĩa quan trọng trình phát triển hệ thống điện đại Khối lọc Lập danh sách biến cố i=1 n tk=0 Xác định δ i , M i , ω i (i = ÷ n) ∆δ j = δ i +1 − δ i ( j = ÷ n − 1) ∆δ j > ε ( j = ÷ n − 1) sai max ∆δ = max {∆δ j } ( j = ÷ n − 1) δ i > max ∆δ (i = ÷ n) sai M k , δ k , ωk , Pek , Pmk M j , δ j , ω j , Pej , Pmj MN = ∑M j MC = ∑Mk j∈N k∈C δ C (t ) = ωC (t ) = ∑M k∈C k δ k (t ) δ N (t ) = MC ∑M k∈C k ω k (t ) ω N (t ) = MC 78 ∑ M δ (t ) j j∈N j MN ∑M j∈N j ω j (t ) MN Hệ thống ổn định M= M C M N MC + M N ⎛ ∑ Pmk ( t ) ⎜ + Pm ( t ) = M ⎜ k∈C ⎜ MC ⎝ ∑ P ( t ) ⎞⎟ j∈N mj MN ⎟ ⎟ ⎠ ⎛ ∑ Pek ( t ) ∑ Pej ( t ) ⎞ ⎜ ⎟ j∈N Pe ( t ) = M ⎜ k∈C + M N ⎟⎟ ⎜ MC ⎝ ⎠ δ (t ) = δC (t ) − δ N (t ) t k +1 = t k + ∆t ω ( t ) = ωC ( t ) − ωN ( t ) Pa (t ) = Pm (t ) − Pe (t ) η u = − Mω u2 * Thuật toán cho khối xếp hạng – đánh giá: 79 δ i , M i , ω i (i = ÷ n) ∆δ j = δ i +1 − δ i ∆δ j > ε ( j = ÷ n − 1) ( j = ÷ n − 1) max ∆δ = max {∆δ j } ( j = ÷ n − 1) δ i > max ∆δ (i = ÷ n) M k , δ k , ωk , Pek , Pmk M j , δ j , ω j , Pej , Pmj MN = ∑M j MC = ∑Mk j∈N k∈C δ C (t ) = ωC (t ) = ∑M k∈C k δ k (t ) δ N (t ) = MC ∑M k∈C k ω k (t ) ω N (t ) = MC 80 ∑ M δ (t ) j j∈N j MN ∑M j∈N j ω j (t ) MN M= M C M N MC + M N ⎛ ∑ Pmk ( t ) ∑ Pmj ( t ) ⎞ ⎜ ⎟ + j∈N Pm ( t ) = M ⎜ k∈C ⎟ M M C N ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ∑ Pek ( t ) ∑ Pej ( t ) ⎞ ⎜ ⎟ + j∈N Pe ( t ) = M ⎜ k∈C ⎟ M M C N ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ δ (t ) = δC (t ) − δ N (t ) ω ( t ) = ωC ( t ) − ω N ( t ) t k +1 = t k + ∆t Pa (t ) = Pm (t ) − Pe (t ) sai Pa(t)=0 P’a(t)>0 ω(t)>0 sai Pa(t)CT3>CT2 Nội suy CCT3=(η1.CT2+η2.CT1)/(η1+η2) CCT3