Đánh giá ổn định điện áp thời gian thực với việc sử dụng hệ thống giám sát diện rộng

Bài viết hướng tới việc mô phỏng hệ thống này và phương pháp đánh giá ổn định điện áp trong thời gian thực. Từ các nghiên cứu với sơ đồ tương đương Thevenin, bài viết phân tích đề xuất chỉ số mới NewVSI trong việc giám sát đánh giá ổn định điện áp trong thời gian thực. Các kết quả được chứng minh bằng mô phỏng trên lưới điện chuẩn 39 nút IEEE, sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink.

SCIENCE TECHNOLOGY ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP THỜI GIAN THỰC VỚI VIỆC SỬ DỤNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG EVALUATE REAL TIME VOLTAGE STABILITY USING WIDE AREA MONITORING SYSTEM Nguyễn Nhất Tùng1,*, Phạm Thành Nam1 TÓM TẮT Sự phát triển nhanh chóng hệ thống điện quy mô chất lượng, với trang thiết bị cơng nghệ cao, đòi hỏi phải có cơng cụ đủ mạnh để đối phó với rối loạn trình vận hành hệ thống Các rối loạn tải đường dây tải điện, kéo theo sụp đổ điện áp tan rã hệ thống Khi có xáo trộn lớn xảy ra, giải pháp nhằm bảo vệ kiểm sốt hệ thống đóng vai trò quan trọng, để ngăn chặn sụp đổ khôi phục hệ thống trở lại trạng thái bình thường, giảm thiểu ảnh hưởng cố Với tiến khoa học công nghệ gần đây, kết hợp với giải pháp thông tin truyền thông đại, loại cảm biến mới, với đa dạng loại hình cố hệ thống điện thúc đẩy xuất hệ thống giám sát bảo vệ diện rộng, sử dụng thiết bị đo lường đồng pha Bài báo hướng tới việc mô hệ thống phương pháp đánh giá ổn định điện áp thời gian thực Từ nghiên cứu với sơ đồ tương đương Thevenin, báo phân tích đề xuất số NewVSI việc giám sát đánh giá ổn định điện áp thời gian thực Các kết chứng minh mô lưới điện chuẩn 39 nút IEEE, sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink Từ khóa: Hệ thống giám sát diện rộng, ổn định điện áp thời gian thực, thiết bị đo lường đồng pha ABSTRACT The rapid development of power system, both in terms of scale as well as technological advances, requires tools to deal with systemic disruptions that cause overload on transmision lines, dragging down the voltage collapse and power system disruption for many years When major disturbances occur, protection and control solutions play the most important role in preventing system collapse, restoring the system to normal and minimizing the impact of incident New improvements in science, technology, information and communications, sensor technologyand the emergence of large-scalehave spurredapprearance of wide area monitoring system using phasormeasurement unit This article describes the simulation of this device and method of evaluating real-time voltage stability Simulation results are analyzed, evaluated on IEEE 39 bus system using Matlab /Simulink Keywords: Wide area monitoring system, real-time voltage stability, phasor mesurement unit Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực *Email: tungnn@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 25/10/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 30/11/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điện (HTĐ) ngày trở nên phức tạp với đa dạng loại nguồn điện, bao gồm nguồn lượng tái tạo, tăng lên nhanh phụ tải, dẫn đến vận hành gần giới hạn ổn định Thêm vào đó, tầm vóc HTĐ quốc gia khơng xuất HTĐ liên kết đa quốc gia điều trở lên phức tạp Đối với ổn định điện áp, đứng trước kích động lớn, kéo theo giảm mạnh điện áp nút, dẫn đến bảo vệ tác động cắt lan truyền số đường dây truyền tải số phần tử khác, sụp đổ hệ thống xảy khơng có biện pháp bảo vệ hợp lý [1, 2] Điều đỏi hỏi phải có cấu bảo vệ mới, đảm bảo giám sát liên tục thông số, bảo vệ điều khiển đáp ứng nhu cầu nhanh chóng HTĐ Hệ thống đo lường giám sát diện rộng WAMS (Wide Area Monitoring System) [9], kết hợp liệu cung cấp thiết bị đo đồng pha PMU (Phasor Measurement Unit) số giải pháp hữu hiệu nhằm giải vấn đề này, hình PMU thiết bị đo kỹ thuật số tích hợp rơle bảo vệ, thiết bị ghi cố trạm nhà máy điện, có khả đo liệu đồng pha (Phasor) thời gian thực, tần số, mơ đun góc pha dòng điện điện áp,… theo tiêu chuẩn (như IEEE 1344, IEEE C37.118 [3]) đồng thời gian tín hiệu qua đồng hồ vệ tinh GPS, việc lấy mẫu đồng 1μs [4] Tín hiệu kết hợp với hệ thống thông tin liên lạc mới, cho phép giám sát, vận hành, kiểm soát bảo vệ HTĐ khu vực địa lý [10-11] Với khả đo với chu kỳ lấy mẫu lên tới 30 - 120 mẫu/giây, PMU cung cấp số lượng lớn liệu đồng thời gian thông qua thiết bị đồng thời gian GPS Chúng lưu trữ tập trung liệu pha PDCs (Phasor Data Conentrator), phân tích xử lý nhằm đánh giá trạng thái hệ thống, hình Đồng xác thời gian cho phép so sánh xác phép đo theo thời gian thực địa điểm cách xa Các xung điện áp dòng điện đầu vào lấy từ biến dòng biến áp, qua lọc nhằm loại bỏ thành phần hài bậc cao Quá trình lấy mẫu cho giá trị rời rạc sử dụng phương pháp biến đổi rời rạc Fourier (Discrete Fourier Transform - DFT) nhằm đạt ước lượng pha thành phần điện áp dòng điện [11] Số 44.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ chúng Các giá trị biến đổi thành thành phần thực (r) ảo (i):   VL  Vr  jVi ; I L  Ir  jIi ;   (1) E th  E r  jE i ; Z th  Rth  jX th Hình Các thành phần hệ thống WAMS [10] Các kết nghiên cứu trước ổn định điện áp với WAMS sử dụng mơ hình hệ thống điện tĩnh để đánh giá khả năng, giới hạn ổn định phương pháp đường cong P-V Q-V, phân tích độ nhạy [5], sử dụng ma trận Jacobian [6], số đường dây [7], đánh giá ổn định điện áp số: FVSI, LQP, NSI, VCPI [8] Các phương pháp xác định nhờ phân tích chế độ xác lập, (mơ hình phân bố cơng suất, mơ hình động tuyến tính hóa,…), có số hạn chế như: (i) thuật tốn với thơng số khơng đổi HTĐ, điều dẫn đến đánh giá khơng xác thời gian thực; (ii) khó đánh giá ảnh hưởng thiết bị tự động điều chỉnh điện áp tự động điều chỉnh điện áp máy phát (AVR) hay điều áp tải (ULTC) máy biến áp; (iii) việc phân tích ổn định điện áp, giám sát HTĐ trở nên khó khăn có chuỗi kiện động xảy cố đường dây, máy phát điện tăng giảm đột ngột lượng tải lớn; (iv) khó xét ảnh hưởng nhiễu lên số liệu đo lường Để cải thiện số hạn chế trên, phương pháp sơ đồ tương đương Thevenin sử dụng số liệu thu từ thiết bị đo lường đồng pha số đánh giá ổn định điện áp dựa mơ hình HTĐ diện rộng đưa nghiên cứu Nội dung phương pháp là: (i) ước lượng thông số nguồn điện áp Eth tổng trở Zth sơ đồ tương đương Thevenin từ thông số thu thông qua thiết bị đo lường PMU; (ii) tính tốn số ổn định điện áp NEWVSI cho số nút tải HTĐ Điều cho phép đánh giá điện áp nút gần online CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Bằng thông số đo lường giá trị điện áp (VL) dòng điện (IL) nút, việc đánh giá ổn định điện áp thông qua sơ đồ tương đương Thevenin, bao gồm nguồn điện áp (ETh) mắc nối tiếp với tổng trở (Zth) hình Và đưa phương trình tuyến tính [12]: Ak x  B k  0  Ir  Ii Er Ii E i V  r Ir Rth Vi X th (2) Để ước lượng giá trị Er, Ei, Rth Xth cần giá trị dòng điện điện áp hai thời điểm đo khác Nhưng để kết xác sử dụng nhiều kết đo để lọc ảnh hưởng độ nhiễu theo phương trình [12]:  x  ( AT A)1( AT b) (3) Hình thể sơ đồ vectơ mạch tương đương Thevenin Hình Sơ đồ vectơ mạch tương đương Thevenin [13] Từ định luật Kirchoff:     Eth  VL  Z th IL (4) Phân chia phương trình (4) thành hai thành phần thực ảo: Eth cos   Rth IL  VL cos  Eth sin   X thIL  VL sin   Với Eth  Eth  VL  VL  (5) Bình phương cộng tương ứng vế phương trình biến đổi ta có:  Eth2  VL2 Z th2 Z  2VL2 th cos( th   )  VL2 ZL ZL (6) - Cơ sở đánh giá ổn định điện áp bằngchỉ số VSI (Voltage Stability Index): Theo số kết nghiên cứu trước [14], khả mang tải tối đa liên quan tới số ổn định điện áp VSI (Voltage Stability Index): Hình Sơ đồ tương đương Thevenin Các thông số Eth Zth ước lượng thơng qua phương pháp bình phương cực tiểu, sử dụng giá trị đo lường đồng pha điện áp, dòng điện góc pha (  ) 18 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 44.2018 VS I  Z th ZL Theo kết nghiên cứu công bố, [14], hệ thống ổn định < VSI < VSI = ứng với trạng thái truyền tải giá trị giới hạn SCIENCE TECHNOLOGY - Tham số đề xuất đánh giá độ ổn định điện áp NewVSI: Thay vào phương trình (6) ta có: Eth2  VSI  2.VSI.cos  th     VL2 E2  f VSI   VSI  2.VSI.cos  th     1 th2  VL (7) VL,IL, VPhase, IPhase từ PDCs Theo tính chất nghiệm phương trình bậc hai (7) với ẩn số VSI ta có: f (VSI  0)* f (VSI=1)   E  E2   1 th2   2cos  th   th2   VL   VL  E  1 th2   2cos th  VL Vậy: Eth2 1 V   cos th     Eth VL 1 cos  th     Biến đổi sang dạng (1) Thanh ghi (n giá trị) Vr ; Vi ; Ir ;Ii Bắt đầu L  “IEEE-Type 1”, với điều tốc mô đơn giản với khối có sẵn thư viện Simulink/SimPowerSystems Riêng máy phát nút 39 tập hợp số lượng lớn máy phát điện thực theo nguyên tắc thay tương đương (8) 1 Phương trình (8) đưa số khác, giúp đánh giá khả mang tải hệ thống tình trạng ổn định điện áp hệ thống: Eth (9) NewV SI  VL 2(1 cos( th   ))  Với Z th  Z th  th ;   VPhase  I Phase Theo đó, quan điểm với số VSI, hệ thống đánh giá ổn định điện áp thông qua đánh giá số đề xuất NewVSI, cụ thể sau: - NewVSI 1: hệ thống ổn định Lưu đồ thuật toán đánh giá ổn định điện áp ngắn hạn thời gian thực dựa phương pháp sơ đồ tương đương Thevenin nêu hình 4, theo trình tự tính tốn với số tương ứng với phương trình phân tích phần Từ việc ước lượng thơng số sơ đồ sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, số NewVSI tính tốn Như vậy, giải pháp xem xét đánh giá ổn định điện áp thời gian thực sử dụng số NewVSI Các kết phần tiếp theo, áp dụng với lưới điện mẫu IEEE cho thấy tính khả thi số đánh giá ổn định điện áp NewVSI KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TÍNH TOÁN Việc ứng dụng phương pháp đánh giá ổn định điện áp theo số NewVSI thực lưới điện chuẩn IEEE 39 nút “New England” (hình 5) Lưới điện với 32 đường dây truyền tải, 24 máy biến áp 10 máy phát, cấp điện cho 19 tải với tổng công suất 6097,1 MW 1408,9 MVAr Các phần tử đường dây, máy biến áp, máy phát điện mơ với hệ thống kích từ lựa chọn theo chuẩn Xác định ma trận A, B, X (2) Ước lượng Er , Ei , Rth ,Xth từ ma trận X theo (3) Tính tốn Eth, Zth,  th,  n giá trị Vr ; Vi ; Ir ;Ii Tính số NewVSI cho nút tải, (9) No Max {NewVSI} ≥ Yes Cảnh báo Hình Lưu đồ thuật tốn đánh giá ổn định điện áp thời gian thực sử dụng phương pháp sơ đồ tương đương Thevenin Đối với hệ thống WAMS, thiết bị đo lường đồng pha PMU mơ Simulink [16] Các tín hiệu dòng điện, điện áp, góc pha dòng điện, góc pha điện áp lưu trữ vào ghi Sau đó, việc tính toán giá trị ước lượng Thevenin phương pháp bình phương cực tiểu, thực với n mẫu thơng số (hình 6) Trong nghiên cứu này, thông số đo ảnh hưởng nhiễu Gausse lấy với SNR = 50dB (tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu lớn) [14] Mỗi thông số lấy 30 giá trị lưu vào ghi để ước lượng tham số sơ đồ tương đương Thevenin, từ tính tốn số đánh giá ổn định điện áp NEWVSI Phương pháp áp dụng với sơ đồ “New England” 39 nút, với trường hợp khác kéo theo cố số đường dây máy phát điện: Số 44.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 19 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ - Trường hợp 1: Tăng dần tải số nút yếu hệ thống (nút 4, 8, 20, 25) - Trường hợp 2: Tăng dần tải trường hợp 1, máy phát nút 31 bị tác động tách khỏi lưới kích từ (Sự cố N-1) - Trường hợp 3: Tăng dần tải trường hợp 1, sau đường dây 5-6 đường dây 14-15 bị cắt tải (Sự cố N-2)  Trường hợp 2: phụ tải tăng dẫn tới máy phát nút 31 bị cắt cho bảo vệ kích từ thời điểm 12s số NewVSI vượt giá trị nút kéo theo sụp đổ điện áp  Trường hợp 3: xảy sụp đổ điện áp việc phụ tải tăng nhanh khiến hai đường dây 14-15 5-6 bị cắt tải thời điểm 12s số NewVSI vượt mức nút a) Hình Sơ đồ lưới điện 39 nút chuẩn IEEE [15] b) Hình Sơ đồ khối mơ ước lượng thông số sơ đồ tương đương Thevenin Hình thể kết mơ áp dụng phương pháp lưới IEEE New England Trong tất trường hợp, phụ tải tăng dần nút kể từ thời điểm 8,5s sụp đổ điện áp xem xét bốn nút 4,8,20 25, nút nặng tải hệ thống Trong tất trường hợp, số NEWVSI dao động có biến động xảy hệ thống tác động điều khiển kích từ máy phát mô động Ngược lại, số nút tăng đột ngột vượt ngưỡng hình 7a, 7c, 7e Kết so sánh số NewVSI nút sụp đổ điện áp nút yếu (chỉ số NewVSI vượt giá trị đầu tiên) hình 7b, 7d, 7f c)  Trường hợp 1: số NewVSI vượt mức nút vào thời điểm 12,51s sụp đổ điện áp diễn sau phụ tải tiếp tục tăng d) 20 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 44.2018 SCIENCE TECHNOLOGY đo lường tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu nhỏ, (ii) chưa đánh giá với nhiều loại mơ hình tải khác Trong nghiên cứu tiếp theo, việc xem xét đến ảnh hưởng nhiễu đo lường biện pháp nhằm ngăn chặn việc sụp đổ điện áp thực e) f) Hình Kết mơ phương pháp lưới điện 39 nút chuẩn IEEE a) Chỉ số NewVSI nút tải 4, 8, 20, 25 trường hợp b) Điện áp số VSI nút tải trường hợp c) Chỉ số NewVSI nút tải 4, 8, 20, 25 trường hợp d) Điện áp số VSI nút tải trường hợp e) Chỉ số NewVSI nút tải 4, 8, 20, 25 trường hợp f) Điện áp số VSI nút tải trường hợp Chỉ số NewVSI thời điểm mang tải cực đại nút tải, đánh giá thay đổi có biến động thơng qua mơ hình động hệ thống theo kịch khác Khi so sánh kết với kết đánh giá với số VSI, ta thấy đưa lại kết hợp lý Điểm khác biệt phương pháp NewVSI đánh giá hệ thống q trình động, giải pháp tính tốn liên tục tham số thời gian Còn mơ hình với VSI đánh giá với tham số trạng thái chế độ xác lập KẾT LUẬN Phương pháp đánh giá ổn định điện áp thời gian thực, sử dụng sơ đồ tương đương Thevenin giới hạn công suất truyền tải lớn ứng hệ thống có biến động số ổn định điện áp NewVSI Phương pháp cần giá trị đo lường nút mà không cần sử dụng thông số hệ thống nên cho phép đánh giá hệ thống mơ hình động, đánh giá ổn định điện áp thời gian thực với chuỗi kiện động xảy liên tục Tuy phương pháp số hạn chế: (i) chưa xem xét ảnh hưởng nhiễu mạnh qua kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Joseph Euzebe Tate, Thomas J Overbye, 2008 Line Outage Detection Using Phasor Angle Measurements IEEE Transactions on Power Systems, no.4/vol.23, pp.1644-1652 [2] Vladimir Terzija, Gustavo Valverde, Deyu Cai, Pawel Regulski, Vahid Madani, John Fitch, Srdjan Skok, Miroslav M Begovic, Arun Phadke, 2011 WideArea Monitoring, Protection, and Control of Future Electric Power Networks Proceedings of the IEEE, no.1/vol.99, pp.80-93 [3] C37.118.1-2011, IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems [4] A.G.Phadke et al., Jan 1994, “Synchronised sampling and phasor measurements for relaying and control”, IEEE Trans Power Del.,no.1/vol.9, pp 442-452 [5] Naoto Yorino, E E El-Araby, H Sasaki; et al., 2003 A New Formulation for FACTS Allocation for Security Enhancement Against Voltage Collapse IEEE Transactions on power system,no.1/vol.18, pp 3-10 [6] A Kazemi, H A Shayanfar, A Rabiee, J Aghaie, 2006 Power System Security Improvement Using Unified Power Flow Controller (UPFC) IEEE Power India Conference, no.2/vol.0, pp 937-941 [7] T Gowri Manohar, 2012 Literature Review on Voltage stability phenomenon and Importance of FACTS Controllers In power system Environment Global Journal of Research In Engineering Electrical and Electronic Engineering, no.3/vol.12, pp 1-6 [8] N.A.M.Ismail, A.A.M.Zin, A.Khairuddin, S.Khokhar, 2014 A Comparison of Voltage Stability Indices IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO2014), Langkawi, The Jewel of Kedah, Malaysia [9] J Y Cai, Zhenyu Huang, J Hauer, K Martin, 2005 Current status and experience of WAMS implementation in North America Proceeding IEEE/Power Eng Soc Transmission and Distribution Conference Exhibition, pp 1-7 [10] Pei Zhan Fangxing Li, N Bhatt, 2010 Next-Generation Monitoring, Analysis, and Control for the Future Smart Control Center IEEE Transaction on Smart Grid, no.1/vol.1, pp.186-192 [11] M M Amin, H B.Moussa, O.A.Mohammed, 2011 Development of a Wide Area Measurement System for Smart Grid Applications 18th IFAC World Congress Milano (Italy), pp 1672-1677 [12] Jan Lavenius, Luigi Vanfretti, Glauco N Taranto, 2015 Performance Assessment of PMU-Based Estimation Methods of Thevenin Equivalents for RealTime Voltage Stability Monitoring IEEE 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering [13] L Paniagua, R.B Prada, 2015 Voltage Stability Assessment Using Thevenin Equivalent Proceeding of the 2015 IEEE thirty fifth central American and Panama convention [14] Heng-Yi Su, Chih-Wen Liu, 2016 Estimating the Voltage Stability Margin Using PMU Measurements IEEE Transaction on Power Systems, no.4/vol.31, pp 3221-3229 [15] Ian Hiskens, 2013 IEEE PES Task Force on Benchmark Systems for Stability Controls Report: 39-bus system (New England Reduced Model) [16] Debomita Ghosh, Chandan Kumar, T Ghose, D.K Mohanta, 2014 Performance Simulation of Phasor Measurement Unit for Wide Area Measurement System International Conference on Control, Instrumentation, Energy & Communication Số 44.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 21 ... VSI, hệ thống đánh giá ổn định điện áp thông qua đánh giá số đề xuất NewVSI, cụ thể sau: - NewVSI 1: hệ thống ổn định Lưu... ứng hệ thống có biến động số ổn định điện áp NewVSI Phương pháp cần giá trị đo lường nút mà không cần sử dụng thông số hệ thống nên cho phép đánh giá hệ thống mơ hình động, đánh giá ổn định điện. .. GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Bằng thông số đo lường giá trị điện áp (VL) dòng điện (IL) nút, việc đánh giá ổn định điện áp thông qua sơ đồ tương đương Thevenin, bao gồm nguồn điện áp (ETh)