Vận hành ổn định hệ thống điện luôn là một trong những lợi ích cốt yếu chính liên quan đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật. Khi tất cả các điều khiển sẵn có khơng thể duy trì hệ thống hoạt động ổn định dưới tác động các nhiễu loạn ngẫu nhiên, sa thải phụ tải sẽ được sử dụng như là phương sách cuối cùng để giảm thiểu sự mất nguồn điện và tải. Mặc dù đạt được thành công nhất định, nhưng các kế hoạch sa thải tải truyền thống chỉ xem xét sự suy giảm tần số, hoặc điện áp trong hệ thống, trong các trường hợp này kết quả thường kém chính xác; số lượng một bước tải sa thải đơi khi lớn, nó gây ra sa thải tải q mức, các kế hoạch khơng có sự linh hoạt để tăng số lượng các bước sa thải tải [1-3].
Hơn nữa, việc sa thải phụ tải còn chưa xem xét đến yếu tố kinh tế, mức độ quan trọng của phụ tải, mức thay đổi của tải theo thời gian, ngưỡng tần số tác động của sa thải phụ tải cũng chưa xem xét. Vì vậy, việc đề xuất phương pháp sa thải phụ tải có xem xét đến các yếu tố nêu trên là cần thiết.
1.3. Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải và đề xuất phương pháp sa thải phụ tải dựa trên sự kết hợp thuật toán uzzy HP và mạng nơron [4].
1.3.2. Cách tiếp cận
- Nghiên cứu các loại sự cố trong hệ thống điện, vấn đề mất ổn định hệ thống điện, sa thải phụ tải trong trường hợp sự cố.
- Nghiên cứu các phương pháp sa thải phụ tải trong vận hành hệ thống điện, các thuật toán HP, uzzy Logic.
- Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải áp dụng ở các Công ty Điện lực.
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, tổng hợp, phân tích, mơ hình hóa và mơ phỏng trên chương trình Power Word, Mathlab. Các bảng số liệu được xử lý, thống kê bằng công cụ Excel.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu: Các dạng sự cố, ổn định hệ thống điện và vấn đề sa
thải phụ tải, ANN, và giải thuật AHP, Fuzzy - AHP sử dụng phần mềm PowerWorld và Neuron Toolbook (trong Matlab).
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phương pháp sa thải phụ tải dựa trên thuật toán AHP và Fuzzy Logic trên cơ sở xem xét tầm quan trọng của tải, sự suy giảm của tần số phụ tải và các điều kiện ràng buộc.
- Khảo sát, tính tốn, thử nghiệm sa thải trên mơ hình cụ thể của một hệ thống điện IEEE 39 thanh góp 10 máy phát, 19 tải nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất trong luận văn.
1.5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm hai phần: Giới thiệu đề tài và phần Nội dung được trình bày như sau:
PHẦN GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tổng quan về hướng nghiên cứu: giới thiệu, tính cấp thiết; mục tiêu; cách tiếp cận; phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu. Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề, nhằm duy trì ổn định hệ thống điện.
PHẦN NỘI DUNG
Chương 2. Mơ hình hệ thống phân cấp HP và uzzy – AHP và mạng Nơron. Chương 3. Phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số áp dụng mạng nơron, thuật toán Fuzzy-AHP và mạng nơron.
Chương 4. Khảo sát, thử nghiệm nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất trong luận văn.
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
CÁC PHƢƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI
1.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu
Chất lượng điện năng và độ tin cậy là điều kiện tiên quyết trong việc cung cấp điện cho Khách hàng. Hiện nay, yêu cầu từ phía Khách hàng ngày càng cao nên mức độ đòi hỏi hệ thống không những đủ cơng suất mà cịn phải đảm bảo độ ổn định, tin cậy trong vận hành. Khả năng phát của nguồn sẽ tỷ lệ thuận với số lượng tải trong hệ thống.
Bên cạnh đó, ngành Điện cũng phải dự trữ một lượng công suất đủ lớn để đáp ứng nhu cầu khi có sự dao động về tải, nhưng yêu cầu đó hiện nay vẫn chưa đảm bảo được do hệ thống điện vẫn cịn có nhiều nhiễu loạn và gây nên tình trạng mất điện.
Thơng thường, các sự cố hay các sự nhiễu loạn của hệ thống điện là phần lớn do sự cố mất điện của máy phát điện, hoặc do tải thay đổi bất ngờ (tăng thêm tải). Tại thời điểm xảy ra các sự cố, hệ thống dễ xảy ra tình trạng mất ổn định. Mức độ của sự mất ổn định tùy thuộc vào thời gian và tính chất của các sự nhiễu loạn.
Tiêu chuẩn đánh giá ổn định chất lượng điện năng trong hệ thống là giá trị tần số và điện áp. Nếu một trong hai thông số thay đổi sẽ dẫn đến sự mất cân bằng công suất trong hệ thống và gây nên sự nhiễu loạn.
và nếu kéo dài sẽ dẫn đến tan rã hệ thống.
Sau khi xảy ra các trường hợp nhiễu loạn, việc nhanh chóng đưa các thông số về thông số ban đầu hoặc đưa hệ thống về điểm ổn định mới là điều hết sức quan trọng nhằm hạn chế tối đa việc sụp đổ hệ thống. Vì vậy, sa thải phụ tải là một trong các phương án bắt buộc phải lựa chọn. Tuy nhiên, số lượng tải cần ngắt và thời gian cắt cũng được xem là yếu tố quan trọng quyết định trong việc ổn định hệ thống. Chính vì thế, việc lựa chọn phương pháp sa thải phụ tải tối ưu cũng là vấn đề cần thiết và cấp bách.
Hiện nay, trong lĩnh vực vận hành HTĐ có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống. Các phương pháp này đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng trong ngành cơng nghiệp năng lượng trên tồn thế giới. Phần lớn các phương pháp này đều có nguyên tắc chung là dựa trên sự suy giảm tần số trong hệ thống.
Việc sa thải tải quá mức cần thiết đã khơng được ưa chuộng vì nó gây ra sự khơng hài lịng từ phía Khách hàng. Các cải tiến đối với các phương pháp truyền thống đã dẫn đến sự phát triển của phương pháp sa thải phụ tải dựa trên tần số cũng như tốc độ thay đổi của tần số. Điều này cho phép dự đoán tốt hơn lượng phụ tải sẽ phải sa thải, và nâng cao độ chính xác của phương pháp.
Gần đây, việc mất điện đã gây sự chú ý tới các vấn đề của sự ổn định điện áp trong hệ thống. Giảm điện áp có thể là một kết quả của một sự nhiễu loạn. Đó là nguyên nhân chính, tuy nhiên, cịn có thể do cung cấp không đủ công suất phản kháng. Điều này hướng các nhà nghiên cứu tập trung vào phương pháp để duy trì sự ổn định điện áp của hệ thống.
Sau khi xem xét các thông số cho sa thải tải, cần thiết phải có các thiết bị phù hợp cho việc thu thập dữ liệu hệ thống để các dữ liệu đưa vào cho chương trình sa thải được chính xác như các giá trị thực tế. Thông thường, các bộ phận đo lường pha được sử dụng để thu thập dữ liệu thời gian thực (các đại lượng P, Q, U, I, f, …).
trọng về an ninh, chính trị, quốc phịng, đặc tính dây chuyền cơng nghệ, khả năng bị thiệt hại về kinh tế khi có sự cố mất điện,... Tùy theo tính chất quan trọng này mà phụ tải được sắp xếp thứ tự ưu tiên nhất định khi áp dụng sa thải. Đảm bảo sao cho trong q trình sa thải có mức thiệt hại thấp nhất mà vẫn duy trì được sự cân bằng của hệ thống.
Khi có tình huống khẩn cấp, việc sa thải tải được dựa trên thứ ưu tiên đó, nghĩa là sa thải những phụ tải ít quan trọng trước, những tải quan trọng sẽ được sa thải sau cùng (hoặc khơng sa thải). Vì vậy, phương diện kinh tế đóng một phần quan trọng trong các kế hoạch sa thải tải. Thông thường, một phương pháp tiếp cận thông minh sẽ được sử dụng kết hợp. Tổng số lượng của tải phải sa thải được chia thành nhiều bước riêng biệt, nó được sa thải tương ứng theo sự suy giảm của tần số.
Ví dụ, khi tần số giảm đến điểm nhận đầu tiên chắc chắn được xác định trước phần trăm của tổng phụ tải được sa thải. Nếu có một sự giảm tiếp trong tần số và nó đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của tải cịn lại được sa thải. Q trình này sẽ diễn ra cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của nó. Số lượng tải bị sa thải trong mỗi bước là một yếu tố quan trọng về hiệu quả của chương trình.
Bằng cách giảm tải trong mỗi bước, khả năng sa thải tải quá mức sẽ được giảm thiểu. Trong khi xem xét số lượng tải được sa thải và lượng tải sa thải mỗi bước, cần tính đến u cầu cơng suất phản kháng của mỗi tải. Thông thường, những nhiễu loạn như mất một máy phát điện gây ra điện áp giảm. Một cách hiệu quả để khôi phục lại điện áp là giảm phụ tải cơng suất phản kháng. Do đó, khi tải tiêu thụ một lượng cao công suất phản kháng, nó sẽ được cắt giảm đầu tiên; biên độ điện áp có thể được cải thiện.
1.2. Các phƣơng pháp sa thải phụ tải đang áp dụng
Có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng trong ngành công
thống, các phương pháp sa thải phụ tải thích nghi, các phương pháp sa thải phụ tải thông minh. Tổng quan về các phương pháp sa thải phụ tải hiện có được trình bày trong Hình 1.1.
- Sa thải phụ tải truyền thống (Conventional Load Shedding). - Sa thải phụ tải thích nghi (Adaptive Load Shedding).
- Sa thải phụ tải thông minh (ILS - Intelligent Load Shedding).
Luận văn đề xuất mơ hình sa thải phụ tải nhằm đảm bảo ổn định đối với mơ hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng phối hợp giải thuật Fuzzy - AHP và mạng nơ ron nhân tạo ANN. Mơ hình sa thải phụ tải này cho phép giảm thời gian đưa ra quyết định, giảm thời gian phục hồi tần số và nâng cao độ ổn định tần số so với phương pháp truyền thống.
1.2.1. Phƣơng pháp sa thải phụ tải truyền thống
Sa thải phụ tải bằng relay tần số (R81), hoặc relay điện áp (R27) là phương pháp được sử dụng chung nhất cho việc điều khiển ổn định tần số [1-3], ổn định
Các phương pháp sa thải phụ tải Các phương pháp sa thải phụ tải thích nghi Các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống Các phƣơng pháp sa thải phụ tải thông minh
UFLS sa thải phụ tải dưới tần số UVLS sa thải phụ tải dưới điện áp Artificial Neural Network (ANN) Adaptive Neuro Fuzzy Infernce System (ANFIS) Genetic Algorithm Fuzzy Logic Control (FLC) Particle Swarm Optimizat ion
Hình 1.1. Các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện Analytic
Hierarchy Process
điện áp của lưới điện và duy trì tính ổn định của lưới trong các điều kiện cần thiết. Trong các phương pháp sa thải phụ tải thông thường, khi tần số hoặc điện áp dao động ra ngoài giới hạn làm việc đã được cài đặt trước, các relay tần số/điện áp của hệ thống phát tín hiệu cắt từng mức phụ tải tương ứng, do đó sẽ ngăn cản sự suy giảm tần số/điện áp và các ảnh hưởng của nó.
Thực tế đang áp dụng q trình STPT tại các Điện lực như sau: khi Điều Độ Viên lưới phân phối ra lệnh cắt giảm phụ tải với một lượng công suất định trước, Trực ban vận hành sẽ căn cứ vào tình hình vận hành cùa các tuyến đường dây để thực hiện cắt giảm các tuyến, nhánh tương ứng sao cho đủ lượng công suất yêu cầu. Việc này được thực hiện thủ công, thao tác bằng tay tại hiện trường. Đồng thời phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an tồn nên tiến trình mất rất nhiều thời gian (bao gồm thời gian tiếp nhận thông tin, cấp phiếu thao tác, di chuyển đến hiện trường và thực hiện thao tác). Trong trường hợp tần số rớt xuống giá trị nguy hiểm thì ngay lập tức các tải 110 kV, 220 kV sẽ bị sa thải. Việc này sẽ gây mất điện diện rộng và khó khăn trong cung ứng điện cho Khách hàng [4].
Hơn nữa các số liệu vận hành phụ tải chưa được cập nhật thường xuyên nên dẫn đến tình trạng cắt giảm thừa/thiếu so với giá trị mà Điều Độ Viên đã đưa ra. Đây cũng là một hạn chế lớn của phương pháp này. Địi hỏi phải có phương pháp khác hiệu quả hơn để đáp ứng yêu cầu mới.
1.2.1.1. Sa thải phụ tải dƣới tần số (Under Frequency Load Shedding - UFLS)
Tần số danh định của hệ thống điện Việt Nam là 50 Hz đối với tất cả các cấp điện áp. Ở các chế độ vận hành của HTĐ, tần số được phép dao động ở một phạm vi định trước như trong Bảng 1.1.
Trong vận hành bình thường, tần số được phép dao động trong phạm vi 50 Hz ± 0,2 Hz. Trong trường hợp HTĐ có sự cố đơn lẻ, tần số được phép dao động trong phạm vi 50 Hz ± 0,5 Hz.
Bảng 1.1. Phạm vi dao động tần số của HTĐ Việt Nam
Chế độ vận hành của HTĐ Dãy tần số cho phép
Vận hành bình thường 49,8 Hz ÷ 50,2 Hz
Sự cố đơn lẻ 49,5 Hz ÷ 50,5 Hz
Trong trường hợp HTĐ Quốc gia bị sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc trong trạng thái khẩn cấp, cho phép tần số hệ thống điện dao động trong khoảng từ 47 Hz đến 52 Hz. Dải tần số cho phép và số lần cho phép xuất hiện được xác định theo chu kỳ 01 năm hoặc 02 năm được quy định tại Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Dải tần số cho phép và số lần cho phép trong trường hợp sự cố nhiều
phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc trạng thái khẩn cấp
Dải tần số cho phép (Hz) Số lần cho phép theo chu kỳ thời gian
52 ≥ f ≤ 51,25 07 lần trong 01 năm
51,25 > f > 50,5 50 lần trong 01 năm
49,5 > f > 48,75 60 lần trong 01 năm
48,75 ≥ f > 48 12 lần trong 01 năm
48 ≥ f ≤ 47 01 lần trong 02 năm
Sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) được áp dụng trong trường hợp có sự cố nghiêm trọng, làm giảm nhanh ở tần số do mất một số máy phát điện. Theo tiêu chuẩn IEEE, sa thải dưới tần số phải được thực hiện một cách nhanh chóng để ngăn ngừa tần số hệ thống điện giảm bằng cách giảm tải hệ thống điện để đáp ứng cân bằng công suất phát điện hiện có.
Với mục đích này, giá trị ngưỡng tần số được thiết lập để bắt đầu sa thải phụ tải dưới tần số. Giá trị tần số tối thiểu chấp nhận phụ thuộc vào thiết bị của hệ thống, chẳng hạn như các loại máy phát điện, thiết bị phụ trợ của nó, và tuabin. Các relay UFLS được khởi tạo để sa thải một lượng tải cố định trong các bước được xác định trước, khi tần số giảm xuống dưới một ngưỡng định trước nhằm ngăn ngừa sự cố rã lưới.
Các Nhà vận hành hệ thống truyền tải điện châu Âu (ENTSOE) đã đề xuất các bước sau đây để sa thải dưới tần số, ở tần số định mức 50 Hz:
số 49 Hz.
Tại tần số 49 Hz, ít nhất 5% tổng mức tải tiêu thụ nên được sa thải.
Một mức 50% tải định mức nên được cắt bằng cách sử dụng relay dưới tần
số trong dải tần số từ 49,0 - 48,0 Hz.
Trong mỗi bước, được khuyến cáo sa thải không quá 10% tải.
Thời gian trễ cắt tối đa nên là 350 ms bao gồm cả thời gian vận hành các
máy cắt.
Sa thải phụ tải dưới tần số được nhiều nhà vận hành hệ thống điện áp dụng: