Tất cả các sự cố mất điện trên diện rộng trên thế giới đã tìm hiểu ở phần trươc cho thấy. 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 hay tổ máy phát điện quan trọng... Xảy ra liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau. Các nguyên nhân cơ bản gây sự cố mất điện trên diện rộng được tóm lược trên hình 1-8.
1.3.1 Quy hoạch và thiết kế
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 mất điện trên diện rộng tại Ấn Độ ngày 30/7/2012). 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 suất 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 mất điện trên diện rộng gần đây (sự cố mất điện trên diện rộng tại Thụy Điển - Đan Mạch ngày 23/9/2003). Việc thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là một trong những nguyên nhân của các sự cố mất điện trên diện rộng (sự cố tại Italy ngày 28/9/2003). 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.
1.3.2 Hệ thống điều khiển và bảo vệ
Sự phát triển cả về quy mô, tính phức tạp của HTĐ và các công nghệ tự động khiến vai trò của hệ thống điều khiển bảo vệ trong HTĐ ngày càng quan trọng và có ảnh hưởng lớn.
Hệ thống bảo vệ rơle được thiết kế nhằm phát hiện và loại trừ nhanh sự cố hoặc các chế độ làm việc bất bình thường của HTĐ. Hệ thống bảo vệ rơle thường phản ứng khi có các kích động lớn và chúng ngăn chặn sự lan rộng của các kích động. Nhiều khi hệ thống bảo vệ tác động ngoài mong muốn do các kích động lớn ở chế độ mang tải ngoài dự kiến/vận hành khẩn cấp, điều đó góp phần gây ra sự cố mất điện trên diện rộng. Theo thống kê cho thấy, HTĐ của Bắc Mỹ có tới 70% các kích động lớn nguyên nhân là sự tác động ngoài mong muốn của rơle bảo vệ[27].
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 29 Việc 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). Chính vì vậy, việc khai thác các kinh nghiệm về thiết kế, cài đặt và chỉnh định đúng cho bảo vệ rơle, cũng như ứng dụng các kỹ thuật, công nghệ mới hiện đại về hệ thống bảo vệ sẽ làm giảm thiểu kích động, sự cố mất điện trên diện rộng trong tương lai.
1.3.2.1 Quan điểm thiết kế hệ thống bảo vệ
Trong một hệ thống điện thì số lượng của các thiết bị bảo vệ có số lượng rất lớn. Nhiệm vụ chính của các bảo vệ rơle là cắt các máy cắt tương ứng như: đường dây truyền tải, thanh góp, MBA... khi có sự cố hoặc có chế độ bất thường theo đúng chức năng và thiết kế được cài đặt, phân nhiệm vụ rất rõ ràng. Để bảo vệ những sự cố xảy ra trên lưới cao áp người ta thường dùng các rơle phản ứng với tốc độ cao để chống lại các hư hỏng do sự cố có thể gây ra. Các rơle này có khả năng tự động thu thập tín hiệu tại hiện trường và được hỗ trợ đầu xa qua các kênh truyền thông.
Nhằm đảm bảo độ tin cậy ngưới ta thường mắc song song hai thiết bị bảo vệ để làm công tác dự phòng và thường bảo vệ sau tác động muộn hơn và số lượng thiết bị bị tác ra khỏi hệ thống cũng lớn hơn.
Việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống bảo vệ cũng có nghĩa là làm tăng nguy cơ tác động sai của hệ thống bảo vệ. Đối với phần lớn các hệ thống bảo vệ hiện hành, cần phải nghiên cứu mức cho phép về tần suất tác động sai nhằm đảm bảo loại trừ một cách tin cậy mọi sự cố với tốc độ cao trên cơ sở hệ thống phải làm việc được ở chế độ (N-1) mất một phần tử. Tuy nhiên, hệ thống điện mỗi ngày một thay đổi nên phải thường xuyên thẩm định, kiểm tra lại kỹ thuật bảo vệ truyền thống này nhất là ở chế độ vận hành nặng nề của hệ thống.
1.3.2.2 Tác động ngoài mong muốn của hệ thống bảo vệ
Sự tác động sai của rơle có thể gây ra các kích động lớn trong hệ thống. Việc bố trị bảo vệ không hợp lý cũng có thể gây ra các kích động trong hệ thống bởi thời gian loại trừ sự cố lớn của các bảo vệ dự phòng từ xa.
Hệ thống bảo vệ giữ vai trò quyết định trong các sự cố mất điện trên diện rộng. Bảo vệ thường được thiết kế để phát hiện các dạng sự cố cụ thể trê các thiết bị
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 30 và thực hiện cách ly nhanh chóng các thiết bị, bộ phận bị sự cố. Sự cố mất điện trên diện rộng có thể là hậu quả của các hạn chế của hệ thống bảo vệ rơle như:
- Không tác động khi xuất hiện sự cố thực tế;
- Không tác động nhanh như trong thời gian tác động yêu cầu của thiết kế;
- Cung cấp sai lệnh cắt chọn lọc tới các máy cắt cụ thể của hệ thống, nghĩa là cắt không chọn lọc;
- Tác động sai trong trường hợp sự cố không xuất hiện.
1.3.2.3 Một số sự cố tiềm ẩn trong rơle bảo vệ
Những hư hỏng/lỗi tiểm ẩn của rơle có tác động rất lớn đến xác suất cắt sai và lan rộng một kích động “bình thường” thành sự cố mất điện trên diện rộng. Các sự cố tiềm ẩn sẽ làm cho rơle hoặc hệ thống rơle cắt sai và không phù hợp các phần tử của hệ thống. Một số ví dụ về sự cố tiềm ẩn trong rơle bảo vệ như:
- Một tiếp điểm rơle không đúng là thường mở hoặc thường đóng, trái với trạng thái biến đổi từ kết quả của hành vi logic.
- Một rơle bộ thu trong phương thức mang tín hiệu khóa mà ở trạng thái thường đóng sẽ gây ra việc cắt sai đối với sự cố ngoài.
- Việc cắt thêm ngoài ý muốn thực sự sẽ là vấn đề phức tạp khi hệ thống đang chịu sức ép lớn do quá tải nghiêm trọng lưới truyền tải, cấu trúc hệ thống không đảm bảo, các vấn đề về điện áp, hoặc độ dự trữ nguồn điện suy giảm.
- Các vùng dễ bị xâm phạm làm rơle tác động sai khi có sự cố xảy ra.
Sự tồn tại các sự cố tiềm ẩn không phải lúc nào cũng gây sự tác động sai và ngoài mong muốn góp phần gây suy biến kích động. Cũng có bộ phận bao gồm một vùng tự nhiên trên hệ thống sao cho một rơle biết trước với một sự cố tiềm ẩn sẽ không tác động đúng đối với sự cố trong vùng đó. Sự tổng hợp giữa sự cố tiềm ẩn và một sự cố trong vùng yếu sẽ dẫn đến mở rộng quy mô mất điện của khu vực.
Một phương thức bảo vệ khoảng cách với 2 vùng cài đặt như ở trên hình 1-9: Vùng 1 (Z1) tác động tức thời đối với các sự cố trong phạm vi cài đặt, còn vùng 2 (Z2) sẽ tác động sau một thời gian trễ định trước. Giả thiết, tiếp điểm bộ đếm thời gian không đúng là thường đóng thì sự cố tại F1 ở vùng 2 sẽ làm cắt không thời gian trễ (cắt không đúng). Tuy nhiên, sự cố tại F2 không được bảo vệ vùng 2 nhìn thấy nên dù có các sự cố tiềm ẩn trong bộ đếm thời gian nhưng việc cắt không xảy ra. Vì vậy, sẽ có vùng yếu đối với các sự cố tiền ẩn có thể gây cắt không đúng và ngoài mong muốn, nhưng ngoài phạm vi đó thì chúng sẽ không có ảnh hưởng.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 31
Hình 1- 9: Vùng nguy cơ
Cần tiến hành phân tích sự cố tiềm ẩn và các vùng yếu có thể ảnh hưởng cho hệ thống điện, cùng với đó là thiết kế và thực hiện các giải pháp phòng chống hiện tượng dây chuyền ngoài kiểm soát.
1.3.2.4 Các loại bảo vệ nhiều khả năng gây ra sự cố mất điện trên diện rộng Sự không thể thiếu những thiết bị bảo vệ trên HTĐ để đảm bảo cho việc đảm bảo chất lượng, ổn định cung cấp và truyền tải điện năng. Có một số loại bảo vệ nhiều khả năng sẽ tác động khi xảy ra các kích động là:
- Vùng 1 của bảo vệ khoảng cách;
- Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh có hướng và vô hướng;
- Rơle điện áp thấp, điện áp cao và tần số thấp;
- Bảo vệ chống mất kích từ, quá kích thích V/Hz;
- Bảo vệ dự phòng cho MPĐ như: BVKC, bảo vệ quá dòng điện hạn chế bằng điện áp, bảo vệ quá dòng điện điều khiển bằng điện áp.
Các hệ thống bảo vệ rơle kỹ thuật số hiện đại loại so sánh góc pha và so lệch dòng điện để bảo vệ cho đường dây truyền tải tránh được sự dao động điện (ổn định hoặc mất ổn định) xuất phát từ nguyên lý làm việc của chúng.
1.3.3 Vận hành hệ thống điện
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 tỷ lệ khá 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
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 32 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 (sự cố ở lưới điện Thụy Sỹ - Italy năm 2003). Sự phát triển nhanh của HTĐ về cả quy mô lẫn cấu trúc, thiết bị đang làm cho công tác quản lý, vận hành và bảo dưỡng càng ngày cảng khó khăn và phức tạp hơn như:
- Các điều độ viên phải xử lý với nhiều biểu đồ vận hành mới do các ràng buộc và những quy định của thị trường mang lại. Bởi sự hình thành thị trường điện và những thay đổi về việc điều tiết nhằm đạt lợi nhuận của chủ đầu tư mang lại.
- Hệ thống thường xuyên bị đẩy đến làm việc gần giới hạn ổn định. Điều đó làm tăng nguy cơ sự cố và tính phức tạp trong vận hành.
- Các hệ thống điện được kết nối thành các HTĐ hợp nhất có tính chất liên vùng, liên khu vực và liên quốc gia, tính chất và quy trình điều hành chưa có tính thống nhất và nhiều điểm khác biệt. Điều này làm quy mô và tính phức tạp, khó lường trong vận hành tăng lên, ví dụ như sự phối hợp xử lý sự cố trong vận hành giữa các cơ quan điều độ của các HTĐ thành phần.
- Những biến đổi bất thường về thời tiết và an ninh hệ thống mạng bị đe dọa khi sử dụng các thành tựu công nghệ thông tin vào hệ thống trong những năm gần đây. Tạo nền những yếu tố khiến công tác vận hành trở lên khó khăn hơn.
- 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 mất điện trên diện rộng.
1.3.4 Công tác bảo trì bảo dưỡng
Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiêm ẩn, đặc biệt là các công việc bảo dưỡng bất thường không tính toán dựa trên tình trạng hoạt động của hệ thống, 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 (sự cố phóng điện vào cây 02/07/1996 ở Mỹ và 22/05/2013 ở Việt Nam...). Tất cả các yếu tố trên đều có thể gây ra sự cố cho hệ thống điện và tệ hại hơn là có thể gây tan rã hệ thống điện.
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
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 33 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. Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hiện tượng thiên nhiên (lở đất) 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.