Các sự cố diện rộng của hệ thống điện thường được đặc trưng bởi hiện tượng sụt áp trên một khu vực rộng lớn, hiện tượng dao động công suất xảy ra ở một hoặc một nhóm máy phát điện. Các hiện tượng trên có thể dẫn đến tác động không mong muốn của hệ thống rơ le bảo vệ [17], [18]. Các rơ le bị ảnh hưởng nhiều nhất trong quá trình sụt áp của hệ thống là các rơ le dựa trên nguyên lý tổng trở và nguyên lý quá dòng điện. Đây là hai nguyên lý bảo vệ được sử dụng rất phổ biến trong HTĐ, vì vậy càng cần có những mơ phỏng chi tiết nhằm đánh giá khả năng tác động của hệ thống rơ le trong quá trình hệ thống ở trong tình trạng làm việc nguy hiểm.
2.5.1. Rơ le quá dòng điện
Khi xảy ra sự cố một phần tử trong hệ thống điện, dẫn đến quá tải đường dây và các máy biến áp còn lại, các rơ le bảo vệ quá dòng điện và quá tải trên các đường dây này sẽ tác động. Thời gian để các rơ le bảo vệ quá dòng và quá tải tác động phụ thuộc vào mức độ trầm trọng của sự quá tải. Nếu dịng q tải khơng q lớn, thời gian để dẫn đến rơ le tác động có thể kéo dài hàng chục phút. Khi nhiều phần tử đã bị cắt ra, khoảng thời gian giữa các lần rơ le tác động sẽ dần được thu hẹp lại.
2.5.2. Rơ le khoảng cách
Rơ le bảo vệ khoảng cách, dựa trên nguyên lý tổng trở được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống điện. Thiết bị bảo vệ này dựa trên nguyên lý đo tổng trở tại vị trí đặt tại rơ le.
Khi khơng có sự cố, tổng trở đo được là tổng trở của đường dây, máy biến áp và phụ tải. Khi có ngắn mạch giữa các pha hoặc giữa dây dẫn với đất xảy ra trên đường dây, tổng trở do rơ le đo được sụt giảm đáng kể, cho phép phát hiện sự cố. Sơ đồ vùng bảo vệ của rơ le tổng trở với 3 vùng tác động được minh họa trênHình 2-2. Tổng trở của rơ le đo được phụ thuộc rất lớn vào điện áp tại vị trí đặt rơ le. Trong trường hợp hệ thống nặng tải và điện áp sụt thấp, tổng trở đo được tại rơ le sụt giảm rất mạnh, có thể làm rơ le khoảng cách hiểu nhầm chế độ quá tải với sự cố ngắn mạch.
-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Điện trở (R) Điện kháng (X) Zone 3 Zone 2 Zone 1 Làm việc bình thường Sự cố
Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý rơ le khoảng cách
2.5.3. Rơ le phát hiện mất đồng bộ
Rơ le phát hiện mất đồng bộ có nhiệm vụ phát hiện tình trạng máy phát bị mất đồng bộ với lưới – góc pha điện áp của máy phát quay với tốc độ khác tốc độ đồng bộ của hệ thống. Khi hiện tượng này xảy ra, dòng điện đi qua máy phát đạt giá trị rất lớn khi điện áp máy phát và hệ thống ngược pha nhau, có thể gây ra những hỏng hóc nghiêm trọng cho máy phát điện.
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 Xd ’ XT Xs Máy phát Hệ thống Xd’ XT Xs 78 Làm việc bình thường
Hình 2-3 Sơ đồ nối máy phát với lưới và nguyên tắc chỉnh định rơ le phát hiện mất đồng bộ.
Nguyên tắc chỉnh định của rơ le phát hiện mất đồng bộ được minh họa trên Hình 2-3 [19]. Rơ le này dựa trên nguyên lý tổng trở. Khi góc pha điện áp máy phát và hệ thống lệch nhau 1800, rơ le tổng trở tại máy phát nhìn thấy tổng trở tương tự sự cố ba pha tại tâm dao động.
2.5.4. Rơ le bảo vệ quá kích từ máy phát (OEL)
Đây là một bảo vệ có vai trị quan trọng trong các sự cố diện rộng của hệ thống điện. Khi các máy phát làm việc ở trạng thái gần kích từ giới hạn, phát nóng trong cuộn dây kích từ tăng cao. Khi dịng kích từ vượt quá giá trị làm việc lâu dài cho phép, bảo vệ quá kích từ sẽ tác động, làm giảm dịng kích từ của máy phát. Tuy nhiên tác động này làm giảm một lượng đáng kể công suất phản kháng cấp cho hệ thống, làm điện áp càng sụt giảm mạnh [20].
Hình 2-4 Quy định về khả năng chịu đựng quá kích từ máy phát.
Khả năng chịu đựng quá kích từ của máy phát được quy định bởi IEEE [19] như trên Hình 2-4. Khi OEL một máy phát tác động, gánh nặng điều khiển điện áp sẽ được chuyển sang các máy phát xung quanh, có thể dẫn đến tác động lan truyền của các bảo vệ OEL, dẫn đến điện áp hệ thống giảm dần.
Minh chứng rõ rệt cho mối quann hệ giữa các rơ le quá kích thích và q trình sụp đổ điện áp có thể được minh họa trên Hình 2-5 [21]. Song song với sự sụt giảm điện áp khi mất một đường dây 500kV (hình bên trái), dịng điện kích từ của máy phát cũng tăng dần theo thời gian (hình bên phải).
Hình 2-5 Hiện tượng quá kích thích mạch từ và quá trình sụp đổ điện áp.
2.5.5. Rơ le sa thải phụ tải
Khi các tác động của rơ le bảo vệ dẫn đến chia tách hệ thống điện thành các khu vực cô lập, tần số của các khu vực sẽ thay đổi mạnh, phụ thuộc vào tương quan giữa công suất
phát và tải ở từng khu vực. Nếu tần số sụt giảm mạnh do thiếu công suất phát, các rơ le sa thải phụ tải sẽ làm việc nhằm ngăn chặn sụt giảm tần số. Các rơ le bảo vệ tần số cho phụ tải và cho các máy phát điện cần được phối hợp nhằm đảm bảo các phụ tải được sa thải trước, giảm nguy cơ diễn ra sụp đổ tần số [22].
Có thể thấy rằng quá trình diễn biến các sự cố diện rộng trong hệ thống điện lớn chịu ảnh hưởng rất lớn bởi sự làm việc của các rơ le bảo vệ. Các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy một kịch bản điển hình trong các sự cố diện rộng là sự tham gia của bảo vệ quá kích từ OEL và rơ le bảo vệ khoảng cách vùng 3. Việc mơ phỏng các q trình q độ của hệ thống điện, vì vậy, cần phải xét đến đầy đủ các nguyên lý rơ le bảo vệ có khả năng tác động khi thông số hệ thống thay đổi mạnh. Trong đó, các rơ le bảo vệ q kích từ (OEL), các rơ le dựa trên nguyên lý tổng trở, và rơ le sa thải phụ tải theo tần số cần được mô phỏng chi tiết.
Chương 3 THIẾT BỊ ĐO ĐỒNG BỘ GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 3.1. Giới thiệu về thiết bị đo đồng bộ góc pha
Hình 3-1 Biểu diễn biên độ và góc pha của tín hiệu điều hịa.
Biên độ và góc pha của dòng điện, điện áp là các đại lượng đo lường được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện. Trong quá trình vận hành hệ thống điện, biên độ dòng điện, điện áp tại các điểm nút trong hệ thống được cập nhật liên tục và gửi về trung tâm điều khiển thông qua hệ thống SCADA. Kết hợp với các giải thuật đánh giá trạng thái (SE - State Estimator), các số liệu này cho biết tình trạng làm việc của hệ thống điện tại một thời điểm cụ thể. Biến đổi Fourier là phép tính tốn cơ bản nhằm tách thành biên độ 𝐴 và góc pha của thành
phần 50Hz có trong tín hiệu dịng điện và điện áp (Hình 3-1).
Trong chế độ xác lập, biên độ của dòng điện và điện áp biến đổi chậm và có thể được sử dụng để đánh giá tình trạng của hệ thống. Tuy nhiên, góc pha của tín hiệu là đại lượng
tương đối, phụ thuộc gốc thời gian của tín hiệu được lấy mẫu. Hai tín hiệu pha được đo tại hai vị trí khác nhau trong hệ thống sẽ không thể so sánh được nếu các tín hiệu khơng được đồng bộ vệ thời gian. Xét một ví dụ đơn giản, nếu hai tín hiệu được đo với mốc thời gian lệch nhau 1ms, sai số về góc pha tương đối sẽ là 1/20 chu kỳ, tương đương 180. Đây là một sai số rất lớn.
Cơng nghệ đo lường đồng bộ góc pha (PMU – Phasor Measurement Unit) sử dụng thời gian chuẩn dựa trên đồng hồ vệ tinh, qua đó cho phép các tín hiệu tại các vị trí khác nhau trong hệ thống được đo trong cùng một mốc thời gian. Độ chính xác của mốc thời gian này có thể đạt tới 1s, qua đó cho phép so sánh được góc pha giữa các điểm khác nhau trong hệ thống điện. Công nghệ này đã được đưa vào ứng dụng từ đầu những năm 90, và càng ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới.
Việc xác định được góc pha tương đối giữa các nút trong hệ thống mang lại rất nhiều ứng dụng mới cho phân tích hệ thống điện trong thời gian thực. Độ chênh lệch góc pha giữa các nút đặc trưng cho trào lưu công suất truyền tải giữa chúng và là một thông tin quan trọng cho phép đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện.
Bên cạnh đó, các tín hiệu thu thập được từ PMU (khoảng 30-60 mẫu/s) có thời gian cập nhật nhanh hơn nhiều so với các tín hiệu SCADA (1 mẫu/2-5s). Hình 3-2 minh họa số liệu thu thập được trong một sự kiện xảy ra trong một hệ thống điện [23]. Sau q trình đóng cắt tải, xảy ra hiện tượng dao động công suất tắt dần trong khoảng 7s. Hiện tượng này đã được phát hiện bằng số liệu đo PMU. Tuy nhiên, nếu sử dụng số liệu đo từ SCADA, hiện tượng dao động cơng suất đã khơng thể hiện được, vì chu kỳ cập nhật không đủ nhanh.
a) PMU
b) SCADA
Cơng nghệ đo lường đồng bộ góc pha hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng dụng mới trong việc phân tích, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện, cũng như trong các bài toán quy hoạch, lập kế hoạch sản xuất, cập nhật mơ hình thiết bị. Tiến bộ đầu tiên, rõ ràng nhất mà hệ thống PMU đem lại là chúng cho phép người vận hành có thể quan sát được toàn bộ hệ thống, với độ tin cậy và thời gian cập nhật nhanh. Do đó người vận hành có thể đánh giá được chính xác và kịp thời tình trạng làm việc của hệ thống, và đưa ra các quyết định điều chỉnh phù hợp, kịp thời. Nếu hệ thống PMU và các phần mềm ứng dụng được triển khai sớm hơn, rất có thể một số sự kiện rã lưới lớn trên thế giới trong 2 thập kỷ qua (sự cố rã lưới ở Bắc Mỹ năm 1996, 2003, sự cố rã lưới Italy năm 2003, sự kiện tách lưới châu Âu tháng 11/2006) có thể đã được phát hiện và ngăn ngừa kịp thời.
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 tồn 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 công 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 công 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 cơng suất là cần phải có số liệu đầy đủ và chính xác về thơng 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