Nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị bảo vệ rơle đến sự tan rã hệ thống điện lớn

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của thiết bị bảo vệ rơle đến sự tan rã hệ thống điện lớn trình bày sự ảnh hưởng của các thiết bị bảo vệ đến sự cố tan rã hệ thống điện bằng phương pháp mô phỏng động bởi chương trình Powerworld. Các kết quả mô phỏng chi tiết một kịch bản tan rã hệ thống điện điển hình cho thấy sự cần thiết phải mô tả và mô phỏng chi tiết các thiết bị bảo vệ rơle trong mô phỏng hệ thống điện,... Mời các bạn cùng tham khảo.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THIẾT BỊ BẢO VỆ RƠLE ĐẾN SỰ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN RESEARCH ON THE INFLUENCES OF PROTECTION DEVICES ON LARGE POWER SYSTEM BLACKOUT Nguyễn Đăng Toản Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Các cố tan rã hệ thống điện loại cố nguy hiểm thường có hậu vơ nghiêm trọng Ở Việt Nam xảy cố nghiêm trọng cố ngày 27/12/2006, 28/2/2008, 25/9/2009 đặc biệt cố ngày 22/5/2013 Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng thiết bị bảo vệ đến cố tan rã hệ thống điện phương pháp mô động chương trình Powerworld Các kết mơ chi tiết kịch tan rã hệ thống điện điển hình cho thấy cần thiết phải mô tả mô chi tiết thiết bị bảo vệ rơle mô hệ thống điện Cuối cùng, báo đề xuất số biện pháp nhằm ngăn chặn cố tan rã hệ thống điện Từ khóa: Tan rã hệ thống điện, hệ thống bảo vệ, mô động, Powerworld Abstract: Power system blackout is the most serious phenomenon and normally has huge consequences It also occured in Vietnam on 27/12/2006, 28/2/2008, 25/9/2009, especially, the event on 22/5/2013 This paper is devoted to analysis the influences of protection system on power system blackout that was based on dynamic simulation of Powerworld software The simulation results of a typical scenario of power system blackout showed that the neccesary for modeling all protection devices in power system simulation The paper also proposed some remedial methods to prevent power system blackouts Key words: Power system blackout, protection system, dynamic simulation, power world MỞ ĐẦU7 Các hệ thống điện (HTĐ) phải đối mặt với nhiều khó khăn như: tăng phụ Ngày nhận bài: 26/11/2017, ngày chấp nhận đăng: 18/12/2017, phản biện: TS Nguyễn Đức Huy Số 14 tháng 12-2017 tải, khó khăn việc xây dựng nhà máy/đường dây mới, việc sử dụng nhiều nguồn lượng tái tạo, bối cảnh bắt đầu vận hành theo chế thị trường làm thay đổi khái niệm HTĐ truyền thống, làm khó khăn 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) quản lý, vận hành, giám sát điều khiển HTĐ Điều khiến cho HTĐ vận hành gần với giới hạn ổn định, “nhạy cảm” với cố xảy Một số tan rã HTĐ gần Việt Nam với hậu to lớn ví dụ sinh động cho luận điểm Cụ thể : ngày 27/12/2006, hư hỏng máy cắt trạm 500 kV Pleiku làm gián đoạn HTĐ Bắc - Nam, gây điện HTĐ miền Bắc; cố ngày 28/2/2008: ngắn mạch đường dây 500 kV đoạn Pleiku - Đà Nẵng làm liên kết Bắc Nam làm điện nhiều tỉnh miền Bắc; cố ngày 25/9/2009: sụp đổ điện áp hệ thống 500 kV làm bảo vệ điện áp thấp tác động cắt hai mạch đường dây 500 kV Hà Tĩnh - Đà Nẵng, tách đôi hệ thống 500 kV Việt Nam làm 1440 MW cố ngày 22/5/2013 gây cắt 43 tổ máy 15 nhà máy HTĐ miền Nam, làm điện 22 tỉnh phía Nam Việt Nam, 9400 MW tải Những cố đặt yêu cầu nghiên cứu rút kinh nghiệm để tránh cố tương lai Các kịch tan rã HTĐ thường phức tạp, ảnh hưởng vấn đề ổn định, tác động tương hỗ thiết bị điều khiển hệ thống bảo vệ rơle [1-5] Do báo này, tác giả lựa chọn phương pháp mô động theo thời gian với có mặt mơ hình chi tiết thiết bị động máy phát điện (MPĐ), kích từ, điều tốc, bảo vệ kích thích MPĐ, bảo vệ tần số MPĐ, bảo vệ đường dây, rơle sa thải phụ tải theo điện áp thấp 52 ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ THỐNG CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ 2.1 Bảo vệ điện áp/kém điện áp, tần số/ tần số bảo vệ MPĐ Mơ hình bảo vệ MPĐ cung cấp chức bảo vệ MPĐ có xảy điện điện áp, tần số tần số với hai tín hiệu cắt báo cố Trong nghiên cứu này, mơ hình bảo vệ GP1 (Generator Relay Model: GP1) cung cấp GE, với thông số bảng Bảng Thông số bảo vệ chung MPĐ (GP1) VuV tuV VoV toV fof tof fuf tuf 0.75 1.15 0.5 1.025 0.975 2.2 Rơle bảo vệ kích từ (OEL) Khi máy phát làm việc trạng thái gần kích từ giới hạn làm phát nóng cuộn dây kích từ Khi dòng kích từ vượt q giá trị làm việc lâu dài cho phép, bảo vệ kích từ tác động, làm giảm dòng kích từ máy phát Tác động làm giảm lượng đáng kể công suất phản kháng phát, làm điện áp sụt giảm mạnh Khả chịu đựng kích từ máy phát quy định IEEE [6, 7] Khi OEL máy phát tác động, gánh nặng điều khiển điện áp chuyển sang máy phát xung quanh, dẫn đến tác động lan truyền bảo vệ OEL, dẫn đến điện áp hệ thống giảm dần 2.3 Rơle dòng điện Khi xảy cố HTĐ, dẫn đến tải đường dây máy biến áp lại, rơle bảo vệ dòng điện tải đường dây tác động Thời gian để rơle bảo vệ dòng Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tải tác động phụ thuộc vào mức độ trầm trọng q tải Nếu dòng q tải khơng q lớn, thời gian để dẫn đến rơle tác động kéo dài hàng chục phút Khi nhiều phần tử bị cắt ra, khoảng thời gian lần rơle tác động dần thu hẹp lại, tải nhiều dẫn đến cắt liên tục đường dây, làm trầm trọng thêm cố tan rã HTĐ Trong mơ thực với mơ hình bảo vệ q dòng SimpleOC1, với đường đặc tính thời gian phụ thuộc theo tiêu chuẩn IEEE C37.112-1996 2.4 Rơle sa thải phụ tải Hệ thống rơle sa thải phụ tải thấp áp (Under Voltage Load Shedding-UVLS) rơle sa thải phụ tải theo tín hiệu điện áp đo lường chỗ, lượng sa thải phụ tải phải đủ nhằm phục hồi mức điện áp tối thiểu hệ thống khôi phục phần dự trữ công suất phản kháng Việc tính tốn lượng tải sa thải tốn khó, tác giả [2] đề xuất biện pháp xác định lượng sa thải theo HTĐ cụ thể, thông qua nhiều mô động kinh nghiệm vận hành thực tế KỊCH BẢN ĐIỂN HÌNH SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN Các cố tan rã HTĐ có chế xảy chung : HTĐ từ trạng thái vận hành bình thường (gần với giới hạn an ninh) đến ổn định cuối chia tách thành HTĐ riêng biệt, tách rời Cơ chế chung tổng kết sau:  Điều kiện ban đầu bất lợi: HTĐ vận hành điều kiện gần với giới hạn ổn định như: Trong HTĐ Số 14 tháng 12-2017 bị số tổ máy, số đường dây tải điện cố nhu cầu phụ tải lại lớn hay tăng lên điều kiện bất thường, HTĐ khơng có đủ cơng suất dự phòng, điện áp số nút bị giảm thấp  Sự cố nguy kịch: HTĐ tiếp tục chịu cố nguy kịch làm thêm đường dây, máy phát quan trọng, gây trình độ HTĐ gây cân công suất phát/tải  Tác động thiết bị điều khiển sơ cấp: sau có cố, thiết bị điều khiển tác động để đưa thông số HTĐ trở vùng làm việc đảm bảo tiêu chuẩn an ninh Nếu thiết bị điều khiển không đảm bảo an ninh HTĐ, gây ổn định HTĐ điện áp/tần số/góc roto, đồng thời làm tải thiết bị lại, điện áp giảm thấp, đồng máy phát điện, tải đường dây  Các biện pháp ngăn chặn: Việc thiếu biện pháp ngăn chặn kịp thời trung tâm điều độ hệ thống, tác động sai thiết bị bảo vệ làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng Sau thời độ, thiết bị điều khiển thứ cấp tác động máy biến áp điều áp tải, bảo vệ kích từ làm MPĐ máy phát đạt đến giới hạn công suất phản kháng, làm giảm điện áp nút đặt tụ bù  Quá trình chia tách hệ thống: Kết điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện áp Các MPĐ bị cắt đạt giới hạn công suất phản kháng tần số/kém tần số, làm 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) trầm trọng thêm cân công suất phát/tải HTĐ Điều làm tải hệ thống truyền tải dẫn đến việc cắt hàng loạt đường dây thiết bị khác, làm sụp đổ hệ thống Do đó, việc mơ động thiết bị, đặc biệt hệ thống bảo vệ MPĐ bảo vệ đường dây đóng vai trò quan trọng việc mơ tan rã HTĐ đề xuất biện pháp ngăn chặn tan rã HTĐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG 4.1 Giới thiệu hệ thống điện Hệ thống điện vùng Illi-42 nút [9], gồm cấp điện áp 345/138 kV với 42 nút, 76 nhánh (bao gồm MBA), 55 phụ tải, tụ đóng cắt, tụ cố định, 14 MPĐ gồm: MPĐ gió loại WT4G, hai MPĐ loại turbin khí, 11 MPĐ đồng cực ẩn nhiệt điện Về mơ hình động gồm:  MPĐ: loại nhiệt điện có mơ hình GENROU gió có mơ hình WT4G  Kích từ gồm loại: IEEET1 (EXAC1), WT4E, ESAC3A, EXST1_GE, ESAC2, EXST2 [6]  Điều tốc turbin gồm loại: TGOV1, IEEEG1, GAST_PTI, WSIEG1, HYGOV  Bảo vệ kích từ loại: OEL1  Bảo vệ MPĐ loại: GP1  Bảo vệ dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc: SIMPLEOC1 với đường đặc tính: IEEE C37.112-1996 Standard  Tải động loại động cơ: MOTORWCL tải hỗn hợp WSCC 54  Rơle sa thải phụ tải theo điện áp thấp điện áp nhỏ 0,8 pu, thời gian sa thải s, lượng tải sa thải từ 1-5% tùy bậc Kịch bản: HTĐ làm việc chế độ bình thường, sau vòng phút, hệ thống bị cố làm đường dây 345 kV, dẫn đến ngắt hệ thống trang trại gió có cơng suất 500 MW Phần mềm mô sử dụng chương trình Powerworld 19 4.2 Mơ chế độ làm việc xác lập 4.2.1 Xác lập trước cố Ở chế độ xác lập bình thường: có nút điện áp ngưỡng 0,95 (pu) nút số 24, MPĐ nút 42 đạt giới hạn mức thấp công suất phản kháng (39 MVAr dải từ 39-800 MVAr), tổ MPĐ nút 18, 19, 22 đạt giới hạn mức cao công suất phản kháng, MPĐ số 22 vừa đạt giới hạn P Q Chỉ có đường dây từ nút 20-Illini345 đến nút 22-Prairie345 mang tải 100%, đường dây mang tải từ 80-89%, đường dây mang tải từ 70-79% Mặc dù HTĐ làm việc bình thường 4.2.2 Xác lập sau cố Ở mô mà ba đường dây 345 kV: 22-21, 3-22, 4-22 nhà máy điện gió G22 Hầu hết MPĐ đạt giới hạn công suất phản kháng, ngoại trừ MPĐ nút 1, 35, 42) Các nút có điện áp thấp -10% cố tổng hợp bảng Mặc dù vậy, tốn trào lưu cơng suất hội tụ, chứng tỏ, khơng có thiết bị Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) điều khiển bảo vệ thì, hệ thống làm việc được, khơng có sụp đổ Bảng Các đƣờng dây bị tải sau cố 55 s xảy cố ngắn mạch pha đường dây 4-22, 0.05 s sau, máy cắt mở hai đầu đường dây 3-22 Từ nút Đến nút Mức tải % Giới hạn truyền tải (MVA) 4.3.1 Khi khơng có bảo vệ q dòng điện bảo vệ MPĐ 35 42 111.5 170 24 10 117.2 525 21 129 750 12 14 141 350 30 25 136 225 Các đáp ứng tần số, điện áp số nút hình 1,4 Từ hình vẽ 1, nhận thấy: tần số hệ thống biến động có cố, giá trị thấp đạt 49.6 Hz, sau khơi phục giá trị lớn 49.65 Hz, hệ thống ổn định tần số Từ hình 4, nhận thấy: điện áp nút HTĐ biến động có cố, sau ổn định trở lại giá trị lớn 0.85 pu Bảng Các nút có điện áp thấp sau cố Nút số Điện áp định mức (kV) Điện áp (pu) Điện áp (kV) 27 138 0.86715 119.667 31 138 0.86808 119.795 28 138 0.86888 119.905 24 138 0.86907 119.932 34 138 0.87185 120.316 32 138 0.87242 120.394 16 138 0.87394 120.604 29 138 0.88004 121.446 138 0.88071 121.538 11 138 0.88956 122.759 345 0.88957 306.902 20 345 0.89890 310.122 4.3 MƠ PHỎNG KHI CĨ SỰ CỐ Kịch bản: HTĐ làm việc bình thường đến 10s, sau đường dây 22-21 ngắn mạch pha đường dây, 0.05 s sau, máy cắt hai đầu đường dây mở Đến 25 s, máy phát điện nút số 22 dừng làm 500 MW Đến 40 s xảy cố ngắn mạch pha đường dây 3-22, 0.05s sau, máy cắt mở hai đầu đường dây 3-22 Đến Số 14 tháng 12-2017 4.3.2 Khi có bảo vệ q dòng điện bảo vệ MPĐ Các đáp ứng tần số, điện áp, công suất phản kháng MPĐ hình 2, 5, Từ hình 2: Nhận thấy, tần số hệ thống biến động có cố, bị chia tách có tăng cao tần số giá trị 51.4 Hz (=2.8%>2%) Các bảo vệ MPĐ tác động cắt có sai lệch tần số lớn ngưỡng bảo vệ Từ hình 5: nhận thấy điện áp bị sụp đổ 89 s Từ hình 6: MPĐ bị giới hạn công suất phản kháng, bảo vệ OEL tác động cắt MPĐ, dẫn đến thiếu hụt công suất tác dụng phản kháng dẫn đến tan rã HTĐ Quá trình tác động hệ thống điều khiển thiết bị bảo vệ rơle ghi lại hình Các bảo vệ dòng cắt đường dây tải: 30-25, 12-14, 8-19, 9-21 4.3.3 Khi hệ thống sa thải phụ tải Nguyên lý chọn lượng tải ngưỡng xa 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thải chọn theo [6,7] Các đáp ứng tần số, điện áp HTĐ vẽ hình 3, Sau trải qua trình độ cố, nhờ có hệ thống rơle sa thải phụ tải hệ thống ổn định khơng bị tan rã Mặc dù vậy, giá trị ngưỡng tác động thời gian tác động cần tính tốn kỹ lưỡng để giảm dao động trình cố ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NGĂN CHẶN TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điều khiển bảo vệ đóng vai trò quan trọng việc vận hành HTĐ Trong hệ thống điều khiển đóng vai trò trì lại cân “lực” HTĐ kích động nhỏ, thay đổi liên tục, mức độ chưa đến mức phá vỡ cân “lực” HTĐ, hệ thống bảo vệ rơle dùng để nhanh chóng loại bỏ kích động, cố lớn Thường áp dụng có cân lớn “lực” HTĐ [8] Các kết nghiên cứu cho thấy, việc mô chế độ xác lập mô động mà không kể đến thiết bị bảo vệ chưa đủ để hiểu rõ tượng động phức tạp cố tan rã HTĐ Do tác giả kiến nghị biện pháp ngăn chặn cố tan rã HTĐ:  Việc mô HTĐ cần thực liên tục có thay đổi cấu trúc lưới điện, phải sử dụng rơle sa thải phụ tải theo tần số điện áp  Các học kinh nghiệm từ sai lầm khứ phải nghiên cứu lại, kết hợp vào kịch sử dụng kinh nghiệm đúc kết để giúp phát triển công nghệ cải tiến cho hệ thống điều khiển, giám sát bảo vệ áp dụng khái niệm đo lường, giám sát, bảo vệ diện rộng (WAMS) KÊT LUẬN Bài báo nghiên cứu phân tích kịch tan rã HTĐ lớn HTĐ Illi-42 nút dùng để mô cố tan tã HTĐ Các kết cho thấy nghiên cứu chế độ xác lập, mô động mà bỏ qua ảnh hưởng thiết bị bảo vệ HTĐ không bị sụp đổ Khi mô động có đủ hệ thống bảo vệ rơle gồm bảo vệ rơle cho MPĐ đường dây mơ tả chi tiết trình diễn biến kiện, dẫn đến sụp đổ HTĐ  Các thiết bị giám sát, điều khiển, bảo vệ rơle nên kiểm tra thường xuyên Nâng cao khả ghi nhớ, thiết lập đồng hóa thời gian  Cần phân tích mơ động loại ổn định tần số, góc roto, điện áp với có mặt loại rơle cơng cụ tính tốn HTĐ mạnh, xác 56 Hình Tần số HTĐ chƣa có bảo vệ rơle đƣờng dây bảo vệ MPĐ Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Việc sử dụng rơle sa thải phụ tải có tác dụng ngăn chặn tan rã HTĐ, việc lựa chọn thông số cần nghiên cứu chi tiết, cụ thể cho hệ thống, với nhiều kịch khác tác giả đề xuất biện pháp ngăn chặn cố tan rã HTĐ, điều giúp cho kỹ sư thiết kế, vận hành hiểu chế xảy ra, từ đề xuất số biện pháp mang tính định hướng chiến lược phát triển, ngăn chặn nguy tan rã HTĐ tương lai Hình Tần số HTĐ có bảo vệ rơle đƣờng dây MPĐ Dựa kết mô chi tiết này, Hình Cơng suất phản kháng số MPĐ khơng có bảo vệ rơle đƣờng dây MPĐ Hình Điện áp số nút HTĐ bảo vệ rơle đƣờng dây MPĐ Hình Điện áp số nút HTĐ có bảo vệ rơle đƣờng dây MPĐ Số 14 tháng 12-2017 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Cơng suất phản kháng số MPĐ khơng có bảo vệ rơle đƣờng dây MPĐ Hình Sự tác động hệ thống bảo vệ rơle Hình Điện áp số nút có rơle sa thải theo điện áp thấp 58 Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prabha Kundur, Power System Stability and Control New York: McGraw-Hill, 1994 [2] Carson W Taylor, Power System Voltage Stability New York: McGraw-Hill, 1994 [3] T.V Cutsem, "Voltage Instability: Phenomena, Countermeasures, and Analysis Methods," Proceeding of the IEEE, vol 88, February 2000 [4] C.W Taylor, "Concepts of Undervoltage Load Shedding for Voltage Stability," IEEE Transactions on Power Delivery, vol 7, no 2, pp 480-488, April 1992 [5] T.V Cutsem, "An Approach to Corrective Control of Voltage Instability Using Simulation and Sensitivities," IEEE Transactions on Power Systems, vol 10, no 2, pp 616-622, May 1995 [6] IEEE Std 421.5™-2005,"IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies", 2005 [7] IEEE Std C37.102-1995, "IEEE Guide for AC Generator Protection", 1995 [8] Dang-Toan Nguyen "Contributions l’analyse et la prévention des blackouts de réseaux électriques" PhD thesis - France 2008 [9] Illinois Center for a Smarter Electric Grid (ICSEG), http://icseg.iti.illinois.edu/illini-42-tornado/ Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Đăng Toản tốt nghiệp ngành hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001, thạc sỹ ngành quản lý hệ thống điện (EPSM) năm 2004 AIT - Thái Lan, tiến sĩ năm 2008 Grenoble - INP - Pháp TS Nguyễn Đăng Toản công tác Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: ổn định hệ thống điện, HVDC/FACTS, lượng Số 14 tháng 12-2017 59 ... từ, điều tốc, bảo vệ kích thích MPĐ, bảo vệ tần số MPĐ, bảo vệ đường dây, rơle sa thải phụ tải theo điện áp thấp 52 ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ THỐNG CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ 2.1 Bảo vệ điện áp/kém điện áp, tần... HTĐ Các kết cho thấy nghiên cứu chế độ xác lập, mô động mà bỏ qua ảnh hưởng thiết bị bảo vệ HTĐ khơng bị sụp đổ Khi mơ động có đủ hệ thống bảo vệ rơle gồm bảo vệ rơle cho MPĐ đường dây mơ tả... phản kháng dẫn đến tan rã HTĐ Quá trình tác động hệ thống điều khiển thiết bị bảo vệ rơle ghi lại hình Các bảo vệ q dòng cắt đường dây tải: 30-25, 12-14, 8-19, 9-21 4.3.3 Khi hệ thống sa thải