CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG TRÊN THẾ GIỚI 3.1.[r]
Trang 1NGHIÊN CỨU VỀ VIỆC XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
Nguyễn Quang Việt
Phó Trưởng Ban KHCN & MT - EVN
Tóm tắt – Đối với bất kỳ một hệ thống điện nào trên thế giới, việc bảo vệ hệ thống
khỏi sự cố mất điện diện rộng là một bài toán khó cần có những nghiên cứu và đầu tư lớn Bài báo cáo trình bày tổng quan về sự cần thiết của Hệ thống bảo vệ diện rộng đối với hệ thống điện, đưa ra giải pháp công nghệ dựa trên thiết bị PMU Tiếp đó, bài báo nghiên cứu những hệ thống bảo vệ diện rộng đã có trên thế giới, phân tích những điều kiện kỹ thuật của Hệ thống điện Việt Nam Từ đó đề xuất ra hệ thống giám sát diện rộng cho Hệ thống điện Việt Nam dựa trên điều kiện hiện có của hệ thống điện Việt Nam, đề xuất những nghiên cứu trong thời gian tới để có thể xây dựng được hệ thống
1 TÍNH THỜI SỰ CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Thực tế quá trình vận hành HTĐ ở Việt Nam và trên thế giới cho thấy, mặc dù chế
độ vận hành HTĐ được tính toán và phân tích kỹ lưỡng trong quá trình lập quy hoạch, báo cáo khả thi, thiết kế kỹ thuật; lập kế hoạch và xây dựng cho phương thức vận hành
hệ thống, các sự cố diện rộng vẫn gây ra thiệt hại lớn Trong những năm gần đây, các sự
cố diện rộng quy mô lớn trên thế giới có thể kể đến:
Sự cố rã lưới khu vực Đông Bắc nước Mỹ, ngày 14 tháng 8 năm 2003 [1] Sự cố này làm một số khu vực bị mất điện trong thời gian lên tới 72 h
Sự cố rã lưới Italy ngày 29 tháng 8 năm 2003 Do hệ thống sa thải phụ tải không hoạt động hiệu quả, đã dẫn đến sụp đổ và mất điện toàn nước Italy với tổng công suất tải
27 GW [2]
Sự cố rã lưới ngày 31 tháng 07 năm 2012 tại Ấn Độ [3] Ước tính khoảng 600 triệu người bị ảnh hưởng bởi sự cố này
Ở Việt Nam sự cố điện diện rộng gần đây đã diễn ra và gây mất điện lan tràn trong thời gian kéo dài, điển hình như:
Ngày 26/4/2013 sự cố nhảy 2 mạch ĐZ 500 kV Hà Tĩnh - Đà Nẵng mất 1000 MW, gây mất liên kết hệ thống Bắc - Nam;
Ngày 22/05/2013, sự cố đường dây Di Linh - Tân Định đã dẫn đến mất điện diện rộng trong toàn bộ các tỉnh phía Nam
Trang 2Hình 1: Diễn biến điện áp tại một nút quan trọng trước và trong ngày diễn ra sự cố 14-8-2003 tại Bắc Mỹ [1] Vào ngày 14-8, điện áp nút quan sát ở thời điểm trước khi xảy ra rã lưới chỉ
thấp hơn điện áp cùng giờ trong các ngày trước đó không đáng kể,
vì vậy người vận hành không cảm nhận được mức độ nguy hiểm
của tình trạng làm việc của hệ thống
Cho đến nay, cơ chế của các sự cố diện rộng đã được hiểu biết tương đối rõ ràng
Về cơ bản, sự cố diện rộng được xuất phát từ tình trạng làm việc nặng tải của hệ thống, kèm theo sự cố mất đi một hoặc một số phần tử quan trọng dẫn đến mất ổn định các thông số vận hành Kéo theo đó, các rơ le bảo vệ tác động hàng loạt, dẫn đến mất điện trên diện rộng hoặc rã lưới Mặc dù cơ chế của các sự cố đã được hiểu rõ, việc ngăn ngừa chúng đang trở thành bài toán rất phức tạp Các phân tích sự cố hệ thống điện trong những năm qua trên thế giới đã nhận diện các khó khăn đối với việc vận hành các
hệ thống hiện đại như sau:
Mức độ phức tạp của bài toán vận hành hệ thống điện ngày càng tăng do kích thước hệ thống điện không ngừng thay đổi và tăng trưởng, đặc biệt ở các nước đang phát triển như Việt Nam: Độ tin cậy của toàn hệ thống phụ thuộc chặt chẽ vào độ tin cậy và sự làm việc phối hợp của rất nhiều phần tử trong hệ thống, từ khâu phát điện, truyền tải, tiêu thụ, hệ thống điều khiển và bảo vệ Sẽ rất khó để xem xét hết được các kịch bản sự cố có thể xảy đến đối với một hệ thống điện lớn, bởi số lượng kịch bản là rất lớn, đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, cũng như hệ thống cơ sở dữ liệu của HTĐ luôn chính xác và cập nhật
Việc chuyển cơ chế vận hành HTĐ từ cơ chế độc quyền sang cơ chế phát điện cạnh tranh và mua điện cạnh tranh cũng đã và đang tạo ra những thay đổi lớn trong công tác vận hành Do chiến lược chào giá của người tham gia thị trường điện, mức huy động công suất các nhà máy chế độ vận hành có nhiều biến động hơn trước
Trang 3 Sự có mặt ngày càng nhiều của các nguồn năng lượng mới và tái tạo cũng tạo nên những khó khăn kỹ thuật cho việc vận hành lưới Mặc dù là nguồn năng lượng sạch, năng lượng mới và tái tạo có đặc điểm bất định, gây khó khăn cho công tác quy hoạch ngắn hạn và dài hạn trên lưới Các nguồn năng lượng mới cũng đặt ra những vấn đề kỹ thuật về phối hợp vận hành và bảo vệ
Do thông số hệ thống có nhiều biến động, người vận hành hệ thống đối mặt với bài toán vận hành khó khăn và phức tạp hơn Tuy nhiên họ không có đủ thông tin, các công cụ phân tích cần thiết, cũng như các nội dung huấn luyện xử lý sự cố để tăng cường khả năng xử lý tình huống, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện
Hiện trạng và thực tế nêu trên đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết cần “tăng cường khả năng quan sát và đánh giá nhanh trạng thái làm việc của HTĐ trong thời gian thực, từ
đó đưa ra các cảnh báo, hoặc các quyết định điều chỉnh điều khiển phù hợp nhằm giải trừ nguy cơ xảy ra các sự cố lớn trong HTĐ” Để thực hiện được yêu cầu trên, cần có hệ thống đo lường giám sát hệ thống điện trên diện rộng, kết hợp với các công cụ tính toán phù hợp để đánh giá trạng thái làm việc của HTĐ trong thời gian thực
2 GIẢI PHÁP VỀ CÔNG NGHỆ - THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ GÓC PHA PMU
VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG
Một trong những nguyên nhân dẫn đến các sự cố rã lưới là do hệ thống đo lường
và giám sát không cung cấp được đầy đủ thông tin cập nhật và chính xác về tình trạng lưới điện [4] Trong những năm gần đây, công nghệ đo lường đồng bộ góc pha (synchrophasor measurement) đang ngày càng hoàn thiện và phát triển, hứa hẹn đem lại những bước tiến mới trong việc giám sát và đánh giá trạng thái của hệ thống Thành phần cơ bản của hệ thống đo lường góc pha là thiết bị đo góc pha đồng bộ (PMU - Phasor Measurement Unit)
Hình 2: Biên độ và góc pha của tín hiệu điều hòa
Nguyên lý cơ bản của thiết bị PMU có thể được minh họa trên Hình 2 Các thiết bị PMU 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 1 s, qua đó cho phép so sánh được góc pha giữa các điểm khác nhau trong hệ thống điện 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
Trang 4thời 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 – 5 s) Bên cạnh đó, đồng hồ GPS còn có thể đồng bộ thời gian với máy tính, với các
hệ thống ghi âm, hệ thống tổng đài để đảm bảo rằng thời gian điều hành lưới điện, thao tác đóng cắt, quá trình lưu trữ dữ liệu, là hoàn toàn thống nhất và chính xác Các đồng
hồ GPS hiện nay cho phép đồng bộ thời gian với cấp chính xác lên tới nano giây (ví dụ như các sản phẩm của hãng SEL: SEL-2401, SEL-2404, SEL-2407 cấp chính xác có thể đạt 100 ns)
Hình 3: Phương thức đấu nối PMU tại trạm điện
Hình 4: Sơ đồ chung của hệ thống giám sát diện rộng dựa trên nền tảng thiết bị PMU
Trang 5Tín hiệu đo lường cấp cho PMU là dòng điện, điện áp tại các điểm nút quan trọng trong hệ thống (các nhà máy điện, các trạm biến áp quan trọng) Sơ đồ đấu nối cơ bản của thiết bị PMU được thể hiện trên Hình 3 Đầu vào của PMU là các tín hiệu gửi đến
từ biến dòng điện và biến điện áp đặt tại các ngăn lộ trạm và đường dây
Dựa trên nền tảng của công nghệ đo đồng bộ góc pha PMU, một thế hệ mới của các hệ thống giám sát lưới điện đã và đang được phát triển mạnh mẽ Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống giám sát diện rộng (WAMS - Wide Area Monitoring System) được minh họa trên Hình 4 Các tín hiệu đo lường đồng bộ từ các PMU được gửi đến trung tâm điều độ thông qua các kênh thông tin liên lạc Dữ liệu các véc tơ đồng bộ được thu thập (gom) tại các thiết bị PDC, từ đó tạo dữ liệu đầu vào cho phần mềm ứng dụng giám sát hệ thống trên diện rộng
Bộ tập trung dữ liệu pha (PDC – Phasor Data Concentrator)
PDC là một ứng dụng phần mềm chạy trên máy tính (PC, Laptop hoặc Server,…), thường được đặt tại các trung tâm điều khiển của trạm, nhà máy và khu vực Bộ PDC có khả năng:
Nhận và đồng bộ dữ liệu đo được từ nhiều PMU;
Xử lý và gửi dữ liệu tới các ứng dụng phần mềm trong hệ thống điện;
Trao đổi dữ liệu với các PDC khác ở nhiều khu vực khác nhau;
Lưu trữ dữ liệu ở nhiều định dạng cơ sở dữ liệu khác nhau (như PI, SQL, CSV, );
Hỗ trợ hầu hết các giao thức tiêu chuẩn (như IEEE 1344, IEEE C37.118) và các giao thức thông dụng hiện nay (như 61850‐9‐5, SEL Fast Messaging, Gateway Transport; ODBC,…)
ạ tầng thông tin liên lạc (Communication)
Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc là một trong những thành phần quan trọng trong
hệ thống điện nói chung Đối với hệ thống WAMS, thông tin liên lạc được sử dụng để kết nối và truyền dữ liệu giữa PMU với PDC, giữa các PDCvới nhau và giữa các thành phần khác trong hệ thống giám sát WAMS (bao gồm cả các ứng dụng người dùng) Mạng truyền tin phổ biến trong hệ thống WAMS đó là mạng diện rộng chuyên dụng (WAN - Wide Area Network) hoặc cũng có thể là bất cứ hệ thống truyền dữ liệu nào đáp ứng được yêu cầu của mộ hệ thống WAMS như: khả năng truyền dữ liệu đồng
bộ pha, tính sẵn sàng và bảo mật hệ thống,… Hiện nay phương thức kết nối giữa PMU với PDC thường hay sử dụng kết nối thông qua Modem/Serial hoặc có thể sử dụng mạng LAN/Ethernet (với giao thức tiêu chuẩn TCP/IP và UDP) để kết nối Kết nối giữa PDC với PDC cũng như với các ứng dụng khác thường hay sử dụng các kết nối thông qua Internet, VPN, Intranet, GPRS/3G,…
Trang 6Lưu trữ dữ liệu (Storage/History)
Là hệ thống có khả năng lưu trữ được đa dạng nhiều loại dữ liệu: dữ liệu đồng bộ pha đo từ các PMU, dữ liệu tính toán từ các phần mềm ứng dụng, dữ liệu đo từ hệ thống CADA,… Việc lưu trữ dữ liệu rất quan trọng, nó là cơ sở cho quá trình khai thác và phân tích sau vận hành post real-time), nhất là công tác phân tích sau sự cố Hệ thống cơ
sở dữ liệu này có thể tích hợp ngay trong bộ PDC hoặc đứng độc lập Ngày nay có rất nhiều hệ cơ sở dữ liệu có thể đáp ứng được cho mô hình WAMS như: hệ cơ sở dữ liệu
PI, SQL Server, Oracle,…
Có thể nói, lưu trữ dữ liệu là một trong những yêu cầu cấp thiết trong quản lý vận hành hệ thống điện Đặc biệt là các dữ liệu đồng bộ pha có chu kỳ lấy mẫu hiện rất cao (từ 30 đến 120 mẫu/giây), khi đó lượng dữ liệu đo từ PMU tạo ra rất lớn và được tích lũy dần theo thời gian tại các trung tâm điều khiển vì thế cần phải có hệ cơ sở dữ liệu có khả năng lưu trữ toàn bộ lượng dữ liệu khổng lồ này cũng như phải đảm bảo tính bảo mật và khả năng truy xuất dữ liệu phải linh hoạt Hiện nay, hệ cơ sở dữ liệu PI do công
ty OSIsoft của Mỹ phát triển, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu này
Theo tính toán của các chuyên gia trên thế giới về khối lượng dữ liệu đo được từ PMU: với một hệ thống lắp đặt 42 PMU, mỗi PMU đo khoảng 19 tín hiệu, chu kỳ lấy mẫu là 30 mẫu/giây, nó sẽ tạo ra khoảng 19 GB dữ liệu/1 ngày
Ứng dụng (Application/HMI)
Tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích và khả năng ở từng nước, chúng ta có thể triển khai được rất nhiều các ứng dụng trên hệ thống WAMS từ dữ liệu đồng bộ pha (Synchrophasor Data) đo được Tất cả các giải pháp công nghệ kĩ thuật hiện nay đối với
hệ thống bảo vệ diện rộng hầu hết đều tập trung nghiên cứu, phát triển nhằm đưa ra các ứng dụng liên quan tới việc đánh giá nhanh trạng thái hệ thống, ngoài ra còn nhiều mục đích khác có thể liệt kê như [5]–[8]:
Tăng cường khả năng quan sát và đánh giá trạng thái HTĐ
Cho phép phát hiện và đánh giá các dao động công suất trong hệ thống điện
Cho phép đánh giá ổn định tần số của hệ thống
Cho phép đánh giá nhanh ổn định điện áp và cảnh báo sớm nguy cơ sụp đổ điện áp
Ứng dụng để xây dựng và cập nhật mô hình các thiết bị trong hệ thống
Ứng dụng để xây dựng đáp ứng tần số của hệ thống
Hỗ trợ xây dựng trình tự các sự kiện và xác định điểm sự cố
Hỗ trợ quản lý tắc nghẽn
Trợ giúp quá trình khởi động đen và khôi phục hệ thống điện
Bảo vệ chống mất đồng bộ diện rộng
Điều khiển ổn định các dao động công suất
Trang 73 CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG TRÊN THẾ GIỚI
3.1 Các hệ thống giám sát diện rộng tại các nước
Hiện nay, đã có rất nhiều các quốc gia trên thế giới đầu tư cho việc phát triển hệ thống bảo vệ diện rộng Tổng hợp các báo cáo cho thấy như sau:
Hệ thống WAMS tại Bắc Mỹ: Sau sự cố ngày 14/8/2003 [1], người ta đã thấy được rằng công nghệ đồng bộ pha cực kỳ quan trọng cho việc phân tích thời gian thực
và phân tích sau sự cố Công nghệ đồng bộ pha có thể làm cho người vận hành nhận biết được trạng thái của toàn hệ thống và có biện pháp ngăn ngừa sự cố Từ sau sự cố lớn đó, đã có nhiều mối quan tâm và nỗ lực để phát triển công nghệ đồng bộ pha ở miền Đông và sau đó lan sang miền Nam và cuối cùng dẫn đến việc thành lập tổ chức chuyên nghiên cứu và phát triển về công nghệ đồng bộ pha tại Bắc Mỹ (viết tắt là NASPI) Đến đầu năm 2010, đã có khoảng 250 PMU được triển khai lắp đặt trên toàn Bắc Mỹ Đến tháng 3/2013, số lượng PMU được lắp ở Bắc Mỹ là 826 cho các cấp điện
áp 230 kV và 500 kV
Hình 5: Số lượng các PMU triển khai trên toàn nước Mỹ ở các khu vực khác nhau
Trong báo cáo vào năm 2008 của NERC’s Real-Time Tools Best Practices Task Force (RTBPTF), tổ chức này đã yêu cầu phải có một số lượng tối thiểu các công cụ thời gian thực để đảm bảo việc vận hành hệ thống tin cậy Dựa vào các nghiên cứu và phân tích, RTBPTF đã đề nghị là để đảm bảo vận hành hệ thống tin cậy thì bắt buộc phải có 5 công cụ thời gian thực sau: hệ thống đo từ xa, công cụ cảnh báo, bộ xử lý cấu