Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện.pdf

Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện.pdf

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Đăng Toản

Thái Nguyên - 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Đăng Toản

Thái Nguyên, năm 2010

Luận văn Thạc sĩ Lời cam đoan 1

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn

Đặng Hoài Nam

Luận văn Thạc sĩ Lời cảm ơn 2

LỜI CẢM ƠN

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Đăng Toản đã hướng dẫn

tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tác giả hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, các cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn

Đặng Hoài Nam

Luận văn Thạc sĩ Tóm tắt luận văn 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

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 Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hướng thị trường hóa ngành điện lực làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sụp đổ là do sự mất ổn định điện áp trong hệ thống Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định điện áp, phương pháp nghiên cứu và đặc biệt là phân tích các kết quả mô phỏng, các kinh nghiệm nhằm đưa ra biện pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng các mô hình phụ tải, mô hình máy phát điện, mô hình bộ điều áp dưới tải, mô hình bộ giới hạn kích từ để phân tích cơ chế của quá trình sụp đổ điện áp dài hạn Từ đó đưa ra rút ra những kinh nghiệm để đưa ra những phương pháp nhằm ngăn chặn sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Một trong những phương pháp được đưa ra thảo luận và cho kết quả tốt đó là sử dụng hệ thống rơle xa thải phụ tải theo điện áp thấp

Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sự mất ổn điện áp là một trong những nguyên nhân chính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp được trình bày cụ thể trong chương này Chương III, giới thiệu về các mô hình phụ tải, mô hình máy phát điện, mô hình bộ điều áp dưới tải, mô hình bộ giới hạn kích từ và

Luận văn Thạc sĩ Tóm tắt luận văn 4 các kết quả mô phỏng với HTĐ Bắc Âu được đưa ra phân tích.Và để ngăn chặn sụp đổ điện áp, biện pháp sử dụng hệ thống rơle xa thải phụ tải theo điện áp thấp được trình bày trong chương IV của luận văn Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất ổn định do mất ổn định điện áp

17

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cúu và biện pháp nâng cao ổn định điện áp

18

2.1 Phân tích các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây 20 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 20 2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan ra hệ thống điện 33

2.2.4 Phương pháp phòng ngừa và ngăn chặn sụp đổ điện áp 46

3.2.2 Giới thiệu tổng quan về chương trình PSS/E 55 3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lưu công suất 58

Luận văn Thạc sĩ Mục lục 7 3.2.5.1 Tóm tắt qui trình tính toán mô phỏng sự cố 71

3.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sụp đổ điện áp của hệ thống điện “BPA”

75

3.3.1.2 Ảnh hưởng của các loại phụ tải khác nhau 77 3.3.1.3 Ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải (ULTC) đến sự sụp đổ

3.3.2 Mô phỏng sự sụp đổ điện áp của hệ thống điện Bắc Âu “Nordic Power System”

4.2.3 Lựa chọn thời gian khởi động của rơle UVLS và khoảng thời gian sa thải phụ tải

Luận văn Thạc sĩ Danh mục các hình vẽ 9

[14]

41

Hình vẽ 2-12: Các phương pháp nghiên cứu sụp đổ điện áp 45

Chương 3

Hình vẽ 3-3: Mô hình tải động phức hợp (loại LOAD) 80 Hình vẽ 3-4: Điện áp ở nút 11 trong các trường hợp A,B, và C 80 Hình vẽ 3-5: Điện áp ở nút 11 trong các trường hợp C (không có

Luận văn Thạc sĩ Danh mục các hình vẽ 10 MAXEX2

Hình vẽ 3-8: Ảnh hưởng của ULTC và OEL đối với sự sụp đổ điện áp 88 Hình vẽ 3-9: Điện áp của thanh cái 11 trong hai trường hợp E,và F 88 Hình vẽ 3-10: Trường hợp G: ảnh hưởng của động cơ đối với sự sụp đổ

điện áp

91

Hình vẽ 3-12: Kịch bản 1 - Điện áp của thanh cái 4043 đối với hai trường hợp có và không có ULTC và OEL

Hình vẽ 4-2: Điện áp tại nút 42 khi áp dụng qui tắc của C W Taylor [26]

110

Hình vẽ 4-3: Điện áp tại nút 42 khi áp dụng qui tắc của tác giả [37] 111 Hình vẽ 4-4: Điện áp tại nút 41 khi áp dụng qui tắc của tác giả [37] 112

Hình vẽ 4-6: Cấu trúc dùng rơ le UVLS phân tán với khái niệm phụ tải thông minh

Luận văn Thạc sĩ Danh mục các hình vẽ 11 Hình vẽ 4-9: Kịch bản 3 – Điện áp của thanh cái 42 khi có cơ cấu

Luận văn Thạc sĩ Danh mục các bảng 12

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 3-1: Điện áp và công suất phản kháng ở điều kiện ban đầu 76 2 Bảng 3-2: Các trường hợp nghiên cứu và một kịch bản điển hình 76 3 Bảng 3-3: Các giá trị hệ số mũ điển hình của các loại tải khác nhau

[2]

78

4 Bảng 3-4: Các MPĐ với giới hạn công suất phản kháng đầu ra 95

Luận văn Thạc sĩ Thuật ngữ viết tắt 13

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CIGRE

Conseil International des Grands Réseaux Électriques or : International Council on Large Electric systems

(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)

E.ON Netz A Transmission System Operator in Germany (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)

(Viện nghiên cứu điện lực Mỹ)

(Hệ thống quản lý năng lượng)

(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) RWE TSO

A transmission system operator in Germany – RWE Transportnetz Strom

(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)

(Công ty phần mềm Inc - Mỹ)

(Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực)

(Đường dây tải điện một chiều)

Luận văn Thạc sĩ Thuật ngữ viết tắt 14

(Hệ thống đánh giá trạng thái)

(Phân tích mô hình lựa chọn)

(Cộng hưởng tần số thấp)

(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)

(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh) TenneT The transmission system operator in Netherlands

(Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan)

(Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải)

(Hệ thống đo lường trên diện rộng)

(Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng)

OLTC Under Load Tap Changer model: Mô hình bộ tự động điều áp dưới tải

OEL Over Excitation Limiter: Mô hình bộ giới hạn kích từ

Luận văn Thạc sĩ Chương 1 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Hệ thống điện đóng (HTĐ) 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

Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải: Đặc biệt là với một nước đang phát triền rất nhanh như Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng 15-20% mỗi năm đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nước nói chung: đó là làm sao phải đáp ứng được nhu cầu phụ tải Vần đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt, và cả nguồn thủy điện Không chỉ riêng Việt Nam và cả thế giới đều nhận thức được rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lượng sơ cấp, và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế Ở đây chúng ta cần hiểu rằng nguồn thủy điện cạn kiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã được phát hiện và khai thác gần hết Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc gia Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện ở nước ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về công nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu

Luận văn Thạc sĩ Chương 1 16 tư lớn Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng

lượng tái tạo trên bình diện cả nước Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này góp phần giảm thiểu gánh nặng cho ngành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo sẵn có Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và phân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển hệ thống điện Một vấn đề nữa mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trường do các nhà máy điện gây ra Do đó chúng ta cũng cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này khi quyết định đầu tư xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện lớn Vấn đề thứ năm đó là xu hướng thị trường hóa ngành điện Nó làm hay đổi hoàn toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn toàn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh điện Và đặc biệt là xu hướng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản lý, vận hành, điều khiển giám sát

Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Ví dụ như sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 8 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 65GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ Ở sự cố tại Ý tháng 9 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 27GW, và tổng thiệt hại vào khoảng 50 tỉ đô la Một sự cố khác là sự sụp đổ tần số ở các nước Tây Âu năm 2006 cũng làm khoảng 15 triệu người bị ảnh hưởng, và rất nhiều các sự cố khác… Có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng sụp đổ điện áp Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định điện áp là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Việc nghiên cứu thành công luận văn sẽ giúp ích cho ngành điện lực, trong tính toán thiết kế, vận

Luận văn Thạc sĩ Chương 1 17 hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng cao ổn định điện áp, đảm bảo độ tin cậy

cung cấp điện

Như phân tích ở trên, HTĐ Việt Nam cũng đang phải đối mặt với những thách thức kể trên, đặc biệt là do yếu tố lịch sử, địa lý, và quá trình phát triển nhanh chóng, khiến HTĐ Việt Nam ngày càng trở lên rộng lớn và phức tạp trong tính toán, thiết kế vận hành và điều khiển Từ đó cũng phát sinh các vấn đề kỹ thuật cần phải được giải quyết, đặc biệt là những nghiên cứu về ổn định điện áp Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp trong HTĐ, cơ chế xảy ra sự cố, nguyên nhân cũng như dùng một biện pháp xa thải phụ tải theo điện áp thấp để nâng cao ổn định điện áp trong HTĐ

1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN:

1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất ổn định do mất ổn định điện áp:

Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nào bởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dưới góc độ kinh tế và an ninh năng lượng Do đó vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ Một sự cố tan rã HTĐ thường là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, là một hiện tượng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời Trong đó việc mất ổn định hay sụp đổ điện áp là một trong những nguyên nhân chính

Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ được tóm tắt ngắn gọn Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phương án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định điện áp:

Luận văn Thạc sĩ Chương 1 18 Sự cố sụp đổ điện áp đã được xem như là một trong những nguyên nhân chính

dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây Khi phân tích sự cố này, có nhiều yếu tố ảnh hưởng quá trình sụp đổ điện áp như: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ (KT), mô hình phụ tải, máy biến áp điều áp dưới tải, … Để nhận được những thông tin chính xác, các đáp ứng của các phần tử trong hệ thống, ở trong luận văn này, chúng tôi sử dụng chương trình PSS/E để tiến hành mô phỏng động các hiện tượng, và phân tích sự cố sụp đổ điện áp

Đứng trên quan điểm ngăn chặn sự cố mất ổn định do sụp đổ điện áp, chúng ta phải sử dụng các biện pháp tức thời, ở đây chúng tôi đề cập đến hệ thống xa thải phụ tải theo điện áp thấp Các vấn đề như ngưỡng tác động, thời gian tác động và mức tải xa thải trong mỗi nấc cũng sẽ được cân nhắc kỹ lưỡng trong luận văn này Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số lượng các thiết bị điều khiển lớn thì đây được coi là những biện pháp hưu hiệu nhất trong việc nâng cao ổn định điện áp

Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp mô phỏng động bằng PSS/E để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp và đề xuất một cách thức xa thải phụ tải theo điện áp thấp Kết quả được tiến hành với hai hệ thống điện của Carson Taylor và hệ thống điện Bắc Âu

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN:

Bản luận văn được trình bày như sau:

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương 1 của luận văn Chương 2 của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sự mất ổn định do sụp đổ điện áp là một trong những nguyên nhân chính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu quá trình mất ổn định điện áp cũng được trình bày trong chương này Chương 3, giới thiệu việc dùng PSS/E để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp Các kết quả mô phỏng với HTĐ của Carson Taylor và HTĐ Bắc Âu cũng được trình bày ở đây Trong chương

Luận văn Thạc sĩ Chương 1 19 4 của luận văn, biện pháp dùng hệ thống xa thải phụ tải theo điện áp thấp được trình

bày, và tiến hành với HTĐ Bắc Âu Chương 5 là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN:

Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu về sự sụp đổ điện áp, trong bản luận văn chỉ thảo luận phương pháp dùng mô phỏng động để nghiên cứu, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp cho 2 hệ thống điện điển hình

Các thông số của HTĐ được cho trước trong các tài liệu tham khảo Đặc biệt là bản luận văn không tiến hành xa thải tối ưu lượng tải mà áp dụng các kinh nghiệm của một số nước trên thế giới

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 20

CHƯƠNG 2 ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY: 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới:

Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu… Trong phần này, một số các sự cố điển hình được thảo luận tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1] [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [51]:

 Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 19/12/1978 tại Pháp Lúc đó HTĐ Pháp đang nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh Phụ tải tăng lên từ khoảng 7h đến 8h là 4600MW So với ngày hôm trước thì nhu cầu phụ tải tăn lên là 1600MW Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8h5-8h10, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV) Trong khoảng từ 8h20, thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải (400kV) đã giảm xuống trong khoảng từ 342kV-374kV Trong khi đó một số đường dây đã bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và sảy ra sụp đổ điện áp sau đó Trong quá trình khôi phục lại HTĐ đã xảy ra một sự cố sụp đổ điện áp khác Hậu quả của sự cố là 29GW tải đã bị cắt, với tổng năng lượng không truyền tải phân phối được là 100GWh Hậu quả về tiền được dự tính trong khoảng 200-300 triệu đôla Nguyên nhân chính là sự mất ổn định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng một tổ máy có công suất 700MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo dưỡng Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã tác động để giảm lượng công suất phản kháng phát ra Ba đến bốn phút sau

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 21 sự cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất

phản kháng” của MPĐ Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của một số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82pu Vào lúc 4phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ điện áp do mất ổn định điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hư hỏng một bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV Khoảng 8 giây sau, một đường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng Điện áp của HTĐ bị giảm thấp làm cho các MBA với bộ điều áp dưới tải tác động, càng làm cho điện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng cao trong các đường dây từ phía bắc đến miền nam Khoảng 55 giây sau sự cố ở trong TBA, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thụy Điển bị tách thành hai phần, Bắc và Nam Các hiện tượng sụp đổ tần số và điện áp xảy ra trong HTĐ Hệ thống xa thải phụ tải đã không có hiệu quả trong việc cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ Các tổ máy hạt nhân trong khu vực HTĐ chia rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở kháng thấp dẫn đến sự cố tan rã hoàn toàn HTĐ Tổng lượng tải bị cắt ra vào khoảng 11400 MW Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp trong khoảng thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Florida – Mỹ ngày 17/05/1985: Một sự cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500kV đang mang tải nhẹ dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây Lượng tải bị mất khoảng 4292 MW Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ Tokyo – Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn bộ thủ đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lượng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt độ tăng cao Sau thời gian buổi trưa, lượng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 22 (tương đương với 400 MW/1 phút) Mặc dù, các tụ bù đã được đóng hết,

nhưng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500kV Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u (đơn vị tương đối) và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống truyền tải và xa thải lượng phụ tải 8000MW Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của các thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền tây nước Pháp: trong khoảng 50 phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến điện áp trong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trong vòng 7 phút sau đó trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động Tuy nhiên thì điện áp vẫn được giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ 0.5 pu đến 0.8 pu) Trong khoảng thời gian 6 phút điện áp giảm thấp đã phải cắt một lượng tải là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ Nguyên nhân chính là do sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3]

Hình vẽ 2-1: Sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Pháp ngày 12/1/1987

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 23

 Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn an ninh cho phép, lượng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn, chính vì vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400kV Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồng thời với việc bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400kV đã làm giảm lượng công suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lưới 400kV giảm xuống còn 344 kV Điện áp đã được khôi phục bằng cách khởi động các nhà máy điện dùng tuabin khí và xa thải một lượng phụ tải [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền Tây nước Mỹ (Western Systems Coordination Council -WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùng Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải và nhiệt độ trong vùng miền nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C Lượng công suất truyền tải từ vùng Pacific NW vể California khá cao cụ thể như sau:

o Đường dây liên lạc AC: 4300MW (giới hạn là 4800MW) o Đường dây liên lạc DC: 2800MW ( giới hạn là 3100MW)

o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đường dây 345 kV từ nhà máy điện 200MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng điện từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến Sự cố này dẫn đến việc cắt một đường dây mạch kép khác do sự tác động sai của bảo vệ rơ le Việc cắt 2 trong bốn tổ máy của nhà máy điện Jim Bridger theo tiêu chuẩn ổn đinh lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ Tuy nhiên việc sự cố cắt đường dây 220kV trong miền đông Oregon đã làm điện áp giảm thấp trong vùng miền nam Idaho, và sự suy giảm dần dần trong vùng trung tâm Oregon Khoảng 24 giây sau, một đường dây 220kV khá dài khác từ vùng miền tây Montana đến miền nam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách, điều này làm cho một đường dây kép 161kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến việc

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 24 suy giảm khá nhanh điện áp trong vùng Idaho và Oregon Khoảng 3

giây sau, 4 đường dây 220kV từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt ra, 2 giây sau, hệ thống truyền tải liên lạc với vùng Pacific bị cắt ra Sự tan rã HTĐ xảy ra sau khoảng 35 giây từ sự cố đầu tiên Khoảng 2,2 triệu người đã bị ảnh hưởng, lượng tải bị mất vào khoảng 11900MW Nguyên nhân chính là sự sụp đổ điện áp [1], [10]

Hình vẽ 2-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV

 Sự cố tan rã hệ thống điện tại các bang miền tây nước Mỹ: (Western Systems Coordination Council -WSCC), ngày 10 tháng 8 năm 1996

Hình vẽ 2-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã hệ thống điện WSCC 10/8/1996

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 25 o Trong thời gian trước khi xảy ra sự cố, nhiệt độ ở miền tây bắc, và

lượng công suất truyền tải từ phía Canada về California tăng cao Trước khi tan rã hệ thống, ba đường dây 500kV truyền tải công suất từ vùng hạ lưu sông Columbia River đến trung tâm phụ tải Oregon đã bị cắt ra do sự cố phóng điện vào cây trên hành lang tuyến Đường dây liên lạc California-Oregon truyền tải 4330 MW từ miền bắc về miền nam Đồng thời đường dây liên lạc một chiều Pacific DC Intertie truyền tải 2680 MW từ miền bắc về miền nam Dao động công suất tăng dần xảy ra ở tần số 0.23 , sự thiếu các thiết bị điều khiển cản dao động đã dẫn đến việc cắt các đường dây khác, và làm HTĐ bị chia tách thành bốn vùng riêng biệt

o Tổng lượng tải bị mất là khoảng 30,500 MW, hơn 7,5 triệu người đã bị ảnh hưởng mất điện từ vài phút đến 9 giờ

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 26

Hình vẽ 2-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [19]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền bắc nước Mỹ - Canada (North American Electricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003 Dựa trên các điều tra của NERC, HTĐ lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và rất thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio Hệ thống đánh giá trạng thái, và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO) (state estimator -SE và real time contingency analysis RTCA) đã không hoạt động đúng do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12giờ 15 phút đến 16giờ 04 phút Điều này đã ngăn cản MISO đưa ra các cảnh báo sớm trong việc đánh giá trạng thái của HTĐ Tại trung tâm điều khiển hệ thống điện FE (First Energy control center) đã xảy ra một sự cố hư hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút Những hư hỏng này đã khiến FE không thể đánh giá đúng được tình trạng làm việc và đưa ra những cảnh báo sớm và biện pháp phòng ngừa Sự cố đầu tiên xảy ra trong hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút, tổ máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra do quá kích thích, và một số tổ máy

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 27 khác trong vùng FE và phía bắc của Ohio đang vận hành ở chế độ quá tải về

công suất phản kháng, trong khi đó tải công suất phản kháng trong khu vực này tiếp tục tăng cao Mặc dù các kỹ sư vận hành đã cố gắng khôi phục lại hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhưng tổ máy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến đường dây 345kV trong vùng FE Chamberlin-Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào cây trong hành lang tuyến mặc dù lúc đó đường dây này chỉ mang 44% tải định mức Tiếp theo là đường dây 345kV Hanna-Juniper đang mang tải 88 % cũng bị cắt ra do phóng điện vào cây trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút Một đường dây 345kV khác đang mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra do phóng điện vào cây lúc 15 giờ 41 phút Trong khoảng thời gian này, vì hệ thống phần mềm của trung tâm điều khiển FE và MISO bị hỏng, nên không hề có một hành động ngăn chặn nào Tiếp sau đó là một loạt các đường dây tải điện trong hệ thống 138 kV bị cắt ra trong khoảng 15 phút tiếp theo, nhưng vẫn không có sự xa thải phụ tải nào Sự cố nguy kịch nhất dẫn đến việc mất điều khiển HTĐ và mất điện lan rộng trong vùng Ohio sau khi đường dây 345kV Sammis-Star 345 kV bị cắt ra lúc 16 giờ 05phút 57 giây Vào khoảng 16 giờ 10phút 38 giây, do việc mất các đường dây liên lạc giữa Ohio và Michigan, công suất trao đổi giữa Mỹ và Canada đã bị thay đổi Tại thời điểm này, điện áp xung quanh vùng Detroit bị giảm thấp do các đường dây bị quá tải nặng HTĐ đã mất ổn định kết quả là sự mất điện hàng loạt, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đường dây trong một vùng rộng lớn Người ta ước tính khoảng 65000 MW đã bị cắt và phải mất gần 30giờ để khôi phục lại HTĐ, dao động công suất, mất ổn định điện áp là nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ [5], [9], [10], [11], [12], [13], [14]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển/ Đan Mạch ngày 23 tháng 9 năm 2003: Trước khi xảy ra sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạn cho phép Tổng lượng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000MW, và không quá nặng tải Hai đường dây 400kV trong vùng sự cố đã được cắt ra để bảo

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 28 dưỡng định kỳ, một đường dây HVDC khác nối với Đức cũng bị cắt ra cho

mục đích bảo dưỡng Bắt đầu từ 12:30, tổ máy 3 của nhà máy điện hạt nhân Oskarshamn bị sự cố phải giảm công suất từ 1250MW xuống 800MW vì sự cố trong hệ thống bơm cấp nước Nhân viên nhà máy đã không thể khắc phục được sự cố này và dẫn đến tổ máy 3 bị cắt ra làm mất hoàn toàn 1250MW Sự cố này lẽ ra được coi là bình thường và thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh N-1, bởi lượng công suất dự phòng nóng và khả năng mang tải của các đường dây vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh kể trên Sau quá trình quá độ bình thường, các hệ thống tự động đã khởi động để lấy công suất dự phòng từ các nhà máy thủy điện từ Na Uy, bắc Thụy Điển và Phần Lan, người ta tin rằng điều này sẽ làm HTĐ trở lên ổn định trong vòng khoảng 1 phút Tuy nhiên điện áp ở vùng phía nam đã giảm khoảng 5kV, tần số ổn định trong giới hạn cho phép là 49,90Hz Lượng công suất chạy trên các đường dây nằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng công suất chạy từ phía nam-tây nam đã tăng lên Vào lúc 12:35 đã xảy ra một sự cố thanh góp kép ở trạm 400kV Horred phía tây Thụy Điển đã làm mất 1,8GW từ nhà máy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối bắc-nam cũng bị cắt ra, từ 12:35 đến 12:37 vùng phía đông đã trở lên quá tải dẫn đến sự sụp đổ điện áp, vùng phía nam (Nam Thụy Điển và Tây Nam của Đan Mạch) bị tách rời Lúc 12:37 sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp đổ cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã hệ thống điện Tổng lượng tải bị cắt vào khoảng 6,3 GW và mất hơn 6h để khôi phục HTĐ [9], [11], [15]

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 29

Hình vẽ 2-5: Công suất tác dụng trong hệ thống điện Đan Mạch (vùng Zealand)

 Sự cố tan rã HTĐ tại Italy, ngày 28/09/2003 vào lúc 3 giờ sáng, lượng công suất nhập khẩu là 6,9 GW, và nhiều hơn 300 MW so với định mức Lúc 03h 01phút 42giây, có một sự cố xảy ra trên được dây 380kV mang tải nặng từ Mettlen -Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ, gần với biên giới của Italy Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây một cách tự động và bằng tay nhưng không thành công do sự sai lệch lớn về góc pha điện áp giữa hai cực của máy cắt điện Việc này đã làm đường dây truyền tải 400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110% Vì sự dao động công suất này không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn an ninh N-1 của HTĐ Italy nên các nhà vận hành HTĐ Italy (GRTN) đã không nhận thức được sự nguy hiểm đang xảy ra ở HTĐ Thụy Sỹ và đã không tiến hành bất cứ hành động phòng ngừa nào Vào lúc 03h 11phút, các nhà vận hành HTĐ Thụy Sỹ (ETRANS) đã yêu cầu GRTN giảm lượng công suất nhập khẩu xuống để giảm lượng quá tải trong HTĐ Thụy Sỹ để đưa HTĐ trở lại chế độ vận hành an toàn hơn Tuy nhiên sự phối hợp thiếu đồng bộ, và chính xác giữa ETRANS và GRTN, đã dẫn đến việc ETRANS đưa ra một hành động gây tranh cãi là cắt đường dây Sils – Soazza do quá tải lúc 03h 25 phút 21giây Ngay lập tức, một đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bị quá tải và bị cắt ra làm mất một lượng tải truyền sang Italy là 740MW Sau sự cố này, các đường dây nhập khẩu điện từ các nước khác như Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị quá tải và lần lượt bị cắt ra Kết quả là HTĐ Italy đã bị mất điện hoàn toàn, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, thiệt hại về kinh tế là hàng chục tỉ đô la Đây

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 30 được coi là sự cố lớn nhất trong lịch sử ngành điện lực Italy Nguyên nhân

chính của sự cố tan rã HTĐ là do sự sụp đổ tần số và điện áp trong HTĐ [6], [7], [8], [9]

Hình vẽ 2-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trước và sau khi 3h25phút33giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ UCTE

 Sự cố tan rã HTĐ Hy Lạp ngày 12/07/2004 Trước 12h 25phút, HTĐ ở thủ đô Athens đã rất nặng tải do việc dùng quá nhiều điều hòa nhiệt độ Hơn nữa việc bảo dưỡng 4 đường dây và mất một tổ máy 125 MW, một tổ máy 300 MW đã làm cho HTĐ ở rất gần giới hạn ổn định Cho đến chiều, điện áp giảm xuống khoảng 90% giá trị danh định Vào lúc12h 30phút để giảm sụp đổ điện áp, xa thải 80 MW tải nhưng phụ tải vẫn tiếp tục tăng lên làm cho điện áp tiếp tục giảm xuống Cho đến lúc12h 35 phút, các nhà vận hành đã dự định xa thải tiếp 200 MW (nhưng thực tế đã không tiến hành xa thải) Vào lúc 12giờ 37 phút, một tổ máy khác bị cắt ra đã làm cho điện áp sụp đổ hoàn toàn Lúc 12giờ 39phút, hệ thống bị tách ra bảo vệ đường dây tác động, phần HTĐ còn lại bị tách khỏi vùng phía nam, dẫn đến sự cố tan rã HTĐ ở Athens và đảo Peloponnes Tổng lượng tải bị mất vào khoảng 9 GW [16]

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 31

 Sự cố tan rã HTĐ các nước châu Âu ngày 04/11/2006 Đây là một trong những sự cố có nguyên nhân phức tạp, ảnh hưởng đến nhiều quốc gia Nguyên nhân chính là do sự mất ổn định về tần số [17], [18] Tuy nhiên việc sa thải phụ tải kịp thời đã tránh được một sự cố tan rã HTĐ trên diện rộng trong đó riêng Pháp đã xa thải 6460 MW hay 12% Khoảng hơn 15 triệu người đã bị ảnh hưởng

a Tần số HTĐ ghi được cho đến khi bị chia tách

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 32

b Tần số ghi được sau khi HTĐ bị chia tách

Hình vẽ 2-7: Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17]

 Ngoài ra còn rất nhiều các sự cố mất điện khác như: các nước châu Âu ngày 4/11/2006, London - nước Anh (08/08/2003), Helsinki - Phần Lan (09/08/2003), Shanghai-Trung Quốc (27/08/2003), Athens- Hy Lạp (06/10/2003), Georgia (23/09/2003), Bahrain (08/08/2004), Úc (14/08/2004), Kuwait (01/11/2004), Malaysia (13/01/2005), Moscow-Nga (25/05/2005), Dubai (09/06/2005) [20]

Một loạt các sự cố tan rã hệ thống điện kể trên đã chứng tỏ rằng vấn đề này vẫn đang được đặc biệt quan tâm Mặc dù đã có những đầu tư lớn trong việc qui hoạch, thiết kế, cũng như lắp đặt nhiều thiết bị, nhà máy điện mới, đường dây tải điện mới, cũng như đào tạo nâng cao trình độ cho cán bộ vận hành, nhưng những nguy cơ về tan rã hệ thống điện vẫn còn nguyên tính thời sự Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu, tìm hiểu cơ chế, cũng như các biện pháp phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố mất điện đó trong tương lai

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 33

2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan ra hệ thống điện:

Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây, máy phát điện… liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau Trong luận văn này, chúng tôi tổng kết một số các nguyên nhân chính như sau:

Nguyên nhân đầu tiên bắt đầu từ khâu qui hoạch và thiết kế Ví dụ như việc dự đoán sai nhu cầu phụ tải dẫn đến sự thiếu hụt năng lượng cung cấp cho phụ tải (sự cố tan rã HTĐ Hy Lạp năm 2004 là một ví dụ điển hình) Một vấn đề quan trọng khác trong giai đoạn này đó là việc tuân theo các tiêu chuẩn an ninh khi thiết kế Vì việc đảm bảo an ninh cho một HTĐ đối với tất cả các sự cố là không thể thực hiện được Trường hợp hay gặp nhất là khi có một hư hỏng bất kỳ xảy ra trong HTĐ- hay còn gọi là tiêu chuẩn N-1 Xác xuất xảy ra hai (N-2) hay nhiều thiết bị cùng hư hỏng đồng thời là nhỏ hơn Tuy nhiên để đảm bảo an ninh cho HTĐ, một số HTĐ còn phải đảm bảo tiêu chuẩn N-2 Nhưng một số HTĐ, trong giai đoạn qui hoạch và thiết kế đã không đảm bảo tiêu chuẩn N-1 ( hoặc N-2) đã dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây (ví dụ như sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển-Đan Mạch 2003 là một ví dụ) Việt thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là một trong những nguyên nhân của các sự cố tan rã HTĐ (Ví dụ như việc cài đặt các thông số bảo vệ khác nhau của hai đầu đường dây liên lạc (nằm ở hai nước khác nhau) trong hệ thống điện châu Âu UCTE dẫn đến sự cố ở các nước châu Âu năm 2006 Hoặc việc cài đặt thông số sai của hệ thống xa thải phụ tải theo tần số là nguyên nhân chính của sự cố tại Italy năm 2003) Việc thay đổi cấu trúc hệ thống, và quan điểm vận hành theo thị trường điện cũng cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng khi qui hoạch và thiết kế

Rất nhiều nguyên nhân nguy hiểm dẫn đến sự cố tan rã HTĐ xuất phát từ quá trình vận hành HTĐ Trong môi trường thị trường điện, có nhiều các hệ thống điện con (sub-systems) cùng vận hành và điều khiển hệ thống truyền tải xương sống (interconnected transmission system (the so-called TSOs) Sự có mặt với tỉ lệ khá

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 34 lớn của hệ thống điện phân tán cũng làm cho HTĐ ngày càng trở lên phức tạp khi

xem xét trên quan điểm vận hành và quản lý Chính vì vậy mà những người vận hành HTĐ có thể không hiểu hết về HTĐ mình đang quản lý-vận hành, đặc biệt là khi có nhiều hợp đồng mua bán điện, dòng chảy công suất-năng lượng liên tục thay đổi, và các sự cố ngẫu nhiên phức tạp có thể xảy ra trong một hệ thống điện lớn Kết quả là thiếu sự phối hợp và hành động chính xác trong việc phòng ngừa, ngăn chặn sự cố giữa các trung tâm điều độ hệ thống điện (Ví dụ như sự cố ở lưới điện Thụy Sỹ -Italy năm 2003, hay lưới điện châu Âu năm 2006)

Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiêm ẩn, đặc biệt là các công việc bảo dưỡng bất thường, sự hư hỏng của các thiết bị điện quá cũ, thiếu những công việc bảo dưỡng định kỳ ( thậm chí là việc cắt tỉa cây trên hành lang tuyến) Việc thiếu sự đào tạo thường xuyên, cập nhật cho những người vận hành hệ thống điện và phối hợp đào tạo liên trung tâm điều độ cũng có thể gây ra các sự cố tan rã HTĐ (ví dụ như sự cố ở London – Anh năm 2003, Moscow – Nga năm 2005, và sự cố mất điện ở các nước châu Âu năm 2006)

Ngoài ra con nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management - ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA) đã làm cho các kỹ sư vận hành không thể giám sát và đánh giá tình trạng làm việc cũng như việc đưa ra các biện pháp kịp thời (Ví dụ như sự tan rã HTĐ ở Bắc Mỹ - Canada năm 2003) Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hay hiện tượng thiên nhiên cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường của phụ tải hay hư hỏng thiết bị được xem là những điều kiện bất lợi ban đầu cho HTĐ, là nguyên nhân bắt nguồn các sự cố

Các nguyên nhân chung dẫn đến sự cố tan rã HTĐ có thể được tóm tắt như sau:

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 35

Hình vẽ 2-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ

2.1.3 Cơ chế xẩy ra sự cố tan rã hệ thống điện:

Trong phần trước, chúng tôi đã tóm tắt các sự cố tan rã HTĐ xảy ra gần đây trên thế giới, nhưng các cơ chế xảy ra sự cố rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên kết Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từ trạng thái vận hành bình thường (có thể rất gần với giới hạn an ninh/ ổn định) đến mất ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và có thể được tổng kết như sau:

 Ban đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần với giới hạn ổn định Ví dụ như: mất một số tổ máy/nhà máy điện, một số đường dây tải điện do sự cố hay bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rất lớn hay tăng lên do những điều kiện bất thường của thời tiết Hơn nữa, vùng trung tâm phụ tải lại ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất

HỆ THỐNG ĐIỆN

Qui hoạch và thiết kế

Dự đoán sai nhu cầu phụ

tải Không đáp ứng

các tiêu chuẩn Thiết kế và cài đặt

sai thông số Không cập nhật

các tiêu chuẩn Những công việc bất thường

Thiết bị quá cũ

Thiếu sự đào tạo chuyên sâu

nhân viên vận hành

Sự phối hợp vận hành kém Thiều biện

pháp ngăn chặn Thiếu biện

pháp phòng ngừa Không hiểu rõ

HTĐ đang vận hành

Phụ tải tăng bất thường Thảm họa

thiên nhiên

Các hư hỏng ẩn

Bảo vệ tác động nhầm

Bảo dưỡng

Luận văn Thạc sĩ Chương 2 36 tác dụng và phản kháng, hoặc không có đủ công suất dự phòng Những điều

kiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị giảm thấp

 Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cố cực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m2)) Làm phát sinh các vấn đề ổn định HTĐ như mất ổn định điện áp/tần số/ góc roto, làm quá tải các thiết bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữa các máy phát điện Việc mất cân bằng công suất phát/ tải làm nảy sinh sự sụp đổ về tần số và đồng bộ hóa

 Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống, lỗi vận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn

 Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điều khiển điện áp Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, vẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hệ thống

 Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/tải tăng lên mạnh hơn nữa, và dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác, và làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống

 Cơ chế tan ra HTĐ có liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto

Sự tổng kết về cơ chế tan rã HTĐ được trình bày ở hình vẽ dưới đây: