3.2. Các ứng dụng của thiết bị đo PMU
3.2.1. Các ứng dụng giám sát diện rộng
Tăng cường khả năng quan sát và độ tin cậy của hệ thống giám sát lưới điện
Như đã trình bày trong các phần trên, việc giám sát góc pha tương đối giữa các nút trong hệ thống điện có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện. Góc pha có liên hệ chặt chẽ với trào lưu cơng suất trên lưới, và do đó cung cấp các thơng tin về tình trạng làm việc cũng như mức độ an toàn hệ thống. Hình 3-4 minh họa góc pha đo được (đồng bộ) trên toàn lưới điện châu Âu trong sự kiện ngày 4 tháng 11/2006. Sự sai biệt lớn về góc pha thể hiện rõ ràng hiện tượng tách đảo đã xảy ra.
Hình 3-3 Góc pha quan sát đồng bộ trên lưới điện châu Âu, sự cố tháng 11/2006.
Trong hệ thống SCADA truyền thống, các số liệu đo lường tại các vị trí trong lưới điện bao gồm: dịng điện, trào lưu cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng trên các đường dây, điện áp tại các nút. Các số liệu này được sử dụng để đánh giá trạng thái và mức độ ổn định của chế độ làm việc. Do có các sai số trong quá trình đo lường, các số liệu đo lường này cần được hiệu chỉnh lại thông qua một công cụ đánh giá trạng thái .
Do các điểm đo lường không được đồng bộ về mặt thời gian, dẫn đến khơng xác định được trực tiếp góc pha tương đối giữa các điểm trong hệ thống. Việc này dẫn đến cần thu thập rất nhiều số liệu đo lường, để thực hiện đánh giá trạng thái và xác định gần đúng góc pha giữa các nút. Số liệu đo trực tiếp góc pha từ các PMU đem lại các lợi ích căn bản sau đây:
▪ Việc xác định trực tiếp được góc pha của các nút cho phép giảm thiểu sai số của bài tốn State Estimation. Do đó trạng thái làm việc của hệ thống điện có thể được xác định nhanh hơn, với độ chính xác cao hơn.
▪ Các số liệu từ PMU được thu thập với chu kỳ rất ngắn, cho phép đánh giá được nhanh chóng các q trình q độ đang diễn ra trong hệ thống. Người vận hành có thể quan sát, phát hiện sớm tình trạng làm việc nguy hiểm và đưa ra các can thiệp kịp thời.
Phát hiện và đánh giá các dao động công suất trong hệ thống điện
Các dao động công suất là hiện tượng thường xảy ra khi hệ thống điện mang tải nặng, hoặc khi nhà máy điện được kết nối với lưới thông qua các đường dây truyền tải dài (liên kết yếu). Trong xu thế phát triển của ngành điện trên thế giới, việc hình thành thị trường phát điện cạnh tranh thường dẫn đến hệ thống lưới truyền tải điện được tận dụng tối đa, thường xuyên phải vận hành ở trạng thái nặng tải. Do đó việc phát hiện các dao động cơng suất và thực hiện các chỉnh định phù hợp đã và đang nhận được nhiều sự quan. Khó khăn lớn nhất khi nghiên cứu hiện tượng dao động công suất là cần phải có số liệu đầy đủ và chính xác về thông số của các máy phát điện, hệ thống kích từ và điều khiển kích từ, cũng như về đáp ứng của phụ tải với các biến động điện áp. Trên thực tế các số liệu này rất khó có được một cách đầy đủ, vì vậy việc chỉnh định thiết bị ổn định dao động công suất (PSS) hiện nay đều phải dựa trên đo đạc thực tế, hoặc dựa trên bản ghi sự cố sau khi có các sự kiện đóng cắt xảy ra trên lưới.
Việc lắp đặt các thiết bị PMU trên các đường dây truyền tải điện cho phép quan sát được rất chính xác và đầy đủ hiện tượng dao động cơng suất (Hình 3-2). Khi có các sự kiện trên lưới xảy ra, người vận hành có thể kết hợp số liệu thu thập được đồng bộ trên lưới – nhằm xác định chính xác tác động ban đầu cũng như các thông số của dao động công suất (tần số dao động, hệ số tắt). Qua đó có thể đưa ra các quyết định hợp lý để giảm thiểu các dao động, bao gồm việc thay đổi lại trào lưu công suất, hoặc xác định vị trí nhà máy tại đó cần cài đặt/chỉnh định lại PSS. Việc ứng dụng PMU nhằm đánh giá các dao động công suất đã và đang được triển khai tại nhiều nước như Canada, Mỹ [24].
Đánh giá ổn định tần số của hệ thống
Trong chế độ xác lập của hệ thống điện, tần số đo được tại các vị trí khác nhau trong hệ thống đều như nhau. Tuy nhiên, khi hệ thống đang ở trong trạng thái mất ổn định, hoặc khi có các sự cố lớn xảy ra, tần số đo được sẽ phụ thuộc vào vị trí điểm đo. Sự diễn biến tần số của hệ thống cho ta một bức tranh chính xác nhất về tình trạng ổn định của hệ thống. Dự án FNET được tiến hành tại Mỹ sử dụng các thiết bị đo có đồng bộ thời gian để quan sát tần số tại nhiều điểm khác nhau trong hệ thống. Kết quả cho thấy rằng ngay trong chế độ xác lập, tần số tại các điểm nút trong hệ thống vẫn có sự khác nhau nhất định. Bên cạnh yếu tố sai số do đo lường, sự sai biệt về tần số cho thấy một đánh giá tồn diện về các q trình điều khiển tần số tại mỗi khu vực, cũng như mức độ ổn định chung của hệ thống.
Đối với các sự cố lớn, dẫn đến chia tách lưới điện, các số liệu đo về tần số cũng cho phép người vận hành nhận biết nhanh tình trạng của hệ thống. Trên cơ sở đó, người vận hành có thể ra những quyết định kịp thời nhằm khôi phục sự ổn định của hệ thống, như sa thải phụ tải bổ sung hoặc khởi động một số nhà máy tại các khu vực tần số thấp.
Hình 3-4 Tần số đo được từ PMU tại các vị trí khác nhau trên lưới điện châu Âu ngày 4/11/2006. Đồ thị cho thấy rõ thời điểm lưới điện châu Âu bị chia
tách thành ba phần.
Đánh giá ổn định điện áp và cảnh báo sớm nguy cơ sụp đổ điện áp
Ổn định điện áp là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong quá trình vận hành các hệ thống điện hiện nay. Hầu hết các sự cố diện rộng, và các sự cố rã lưới trên thế giới cũng như tại Việt Nam trong những năm gần đây đều liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến các quá trình ổn định điện áp. Quá trình mất ổn định điện áp thường xuất phát từ sự thiếu hụt mức cung cấp công suất phản kháng tại một khu vực nhất định trong hệ thống. Việc cố gắng khôi phục điện áp thường dẫn đến quá tải cho hệ thống kích từ các máy phát, gây nên hiện tượng chồng lấn tải với các rơ le khoảng cách, dẫn đến cắt điện lan truyền. Nguy cơ mất ổn định điện áp có thể được phát hiện bằng cách quan sát mức điện áp tại các nút tải quan trọng, và đưa ra cảnh báo khi điện áp nút giảm thấp. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, quá trình sụp đổ điện áp có thể diễn ra rất nhanh ngay sau khi điện áp giảm thấp hơn một ngưỡng nhất định, khiến người vận hành không đủ thời gian ra quyết định. Mặt khác việc đánh giá ổn định điện áp theo phương pháp này địi hỏi có mơ hình chính xác của các phần tử và sự làm việc tin cậy của các công cụ đánh giá trạng thái.
Nhờ cơng nghệ đo PMU, người vận hành có thể thu thập được số liệu điện áp với tốc độ nhanh hơn nhiều so với hệ thống SCADA và do đó có thể đưa ra các quyết định kịp thời. Bên cạnh đó, các giải thuật để đánh giá ổn định điện áp dựa trên số liệu đo PMU đã và đang được nghiên cứu triển khai trên thế giới. Để nâng cao tốc độ tính tốn, các giải thuật này khơng dựa trên kết quả của bài toán đánh giá trạng thái, mà dựa trên các phương pháp thực dụng như đánh giá tốc độ biến thiên điện áp [25]. Bằng cách chỉ sử dụng số liệu đo PMU cho
việc đánh giá ổn định điện áp, độ tin cậy của hệ thống giám sát ổn định và tốc độ tính tốn sẽ được cải thiện đáng kể.
Các giải thuật đánh giá nhanh mức độ ổn định điện áp đã và đang được phát triển rất tích cực bởi EPRI, ABB [26] và SEL. Kết hợp giữa giải thuật đánh giá nhanh nguy cơ sụp đổ điện áp và một hệ thống rơ le sa thải phụ tải được thiết kế hợp lý sẽ cho phép giảm đáng kể nguy cơ và thiệt hại của các sự cố diện rộng.