PHÂN TÍCH AN TOÀN HỆ THỐNG ĐIỆN 110 KV KHU VỰC MIỀN TRUNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP VẬN HÀNH TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Lý do chọn đề tài Hệ thống điện HTĐ 110kV khu vực miền Trung đang từng bước phát triển nhanh và kết cấu lưới ngày càng phức tạp dẫn đến các đường dây vận hành gần với các giới hạn an to

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN KIỀU

PHÂN TÍCH AN TOÀN HỆ THỐNG ĐIỆN

110 KV KHU VỰC MIỀN TRUNG

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐH ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Kim Hùng

vào ngày 30 tháng 06 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thông tin học liệu và truyền thông Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống điện (HTĐ) 110kV khu vực miền Trung đang từng bước phát triển nhanh và kết cấu lưới ngày càng phức tạp dẫn đến các đường dây vận hành gần với các giới hạn an toàn

Để chủ động đối phó với các tình huống sự cố có thể xảy ra trên hệ thống điện cần có những phương thức vận hành phù hợp và

sử dụng các phần mềm hỗ trợ

Dựa vào kết quả phân tích và các quy trình quy định ta lập phương án xử lý sự cố N-1, N-2 làm căn cứ cho các điều độ viên trong quá trình điều hành HTĐ

Phụ tải khu vực có sự chênh lệch lớn giữa cao điểm, thấp điểm

và giữa các mùa Đây là khu vực có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng cần phải quan tâm nghiên cứu

Với những lý do nêu trên, học viên chọn đề tài “Phân tích an toàn hệ thống điện 110kV khu vực miền Trung và đề xuất các giải pháp vận hành”

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu: Dựa trên lý thuyết môn học Phân tích an toàn hệ thống điện, sử dụng phần mềm tính toán PSS/E để phân tích hệ thống điện 110kV miền Trung Từ đó tìm ra các sự cố nặng nề nhất có khả năng làm cho hệ thống phải vận hành ở chế độ khẩn cấp, cực kỳ khẩn cấp gây mất an toàn HTĐ

- Mục tiêu nghiên cứu: Căn cứ vào kết quả phân tích và các quy trình quy định, đơn vị vận hành HTĐ lập các phương án xử lý sự

cố N-1, N-2 để làm cơ sở cho các điều độ viên trong quá trình điều hành HTĐ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Cấu trúc lưới điện và sự phân bố công suất lưới 110kV khu vực miền Trung

+ Các phương pháp phân tích an toàn HTĐ

+ Chế độ vận hành và những sự cố N-1, N-2 nguy hiểm + Phương án xử lý sự cố N-1, N-2

Chương 1: Lý thuyết phân tích an toàn hệ thống điện

Chương 2: Các phần mềm phân tích an toàn trong hệ thống điện Chương 3: Giới thiệu hệ thống điện 110kV khu vực miền Trung và quy trình phân tích an toàn hệ thống điện

Chương 4: Phân tích an toàn hệ thống điện miền Trung và đề xuất

các giải pháp vận hành

Chương 1 - LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH AN TOÀN HỆ THỐNG

ĐIỆN 1.1 Tổng quan về phân tích sự cố ngẫu nhiên

Theo phương pháp vận hành truyền thống thì sẽ thực hiện phân tích sự cố theo chu kỳ mỗi khi có biến động lớn trong hệ thống hoặc có yêu cầu của người vận hành Việc nghiên cứu có thể được

thực hiện như đã dự tính bằng cách chủ yếu dựa vào bài toán tính

phân bố công suất (Load Flow)

Với phương pháp phân tích truyền thống như vậy sẽ rất nặng

nề và tốn nhiều thời gian cho việc tính toán, do vậy nó ít được sử

dụng trong môi trường thời gian thực mặc dù kỹ thuật số đã được sử

dụng Để khắc phục những nhược điểm trên nhiều phương pháp đã

được nghiên cứu, dựa trên việc phân tích kinh nghiệm người ta thấy

rằng phần lớn các sự cố không gây nên hậu quả về mặt an toàn Lý

thuyết phân tích sự cố ngẫu nhiên trong luận văn này dựa trên việc

phân tích sự vi phạm giới hạn truyền tải công suất và giới hạn điện

áp khi xảy ra các sự cố

1.2 Các phương pháp phân tích an toàn

1.2.1 Phương pháp sắp xếp:

Phương pháp này dựa trên việc đánh giá mức độ nguy hiểm

của một sự cố thông qua một hàm toán học mô tả trạng thái hệ thống

khi xảy ra một sự cố

Các sự cố được sắp xếp theo thứ tự giảm dần của chỉ số

nghiêm trọng PI Sau đó, các sự cố sẽ được phân tích kỹ bởi một

phép tính toán phân bố công suất tác dụng và phản kháng đầy đủ

có chỉ số PI lớn

Sắp xếp các

sự cố

Sắp xếp các sự

cố theo mức

độ PI giảm dần

Xác định những trường hợp

vi phạm giới hạn an toàn

1.2.2 Phương pháp đánh giá trạng thái:

Đối với phương pháp này là không phải tính toán một chỉ số nghiêm trọng, nhưng để đánh giá sơ bộ trạng thái sau sự cố để biết rằng có cần tính chính xác những hậu quả của nó bởi một phép tính phân bố công suất tác dụng - phản kháng đầy đủ hay không

1.2.2.1 Phương pháp tính toán phân bố công suất một phần 1.2.2.2 Phương pháp hệ số chuyển tải

Nội dung chủ yếu của phương pháp sắp xếp là xác định chỉ số nghiêm trọng PI để đánh giá mức độ nghiêm trọng của một sự cố Tuy nhiên với những hệ thống điện có cấu trúc phức tạp thì phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế như sai số và thời gian tính toán lớn

Phương pháp đánh giá trạng thái được phát triển để khắc phục những điểm yếu của phương pháp sắp xếp Nhóm phương pháp này gồm có các phương pháp: Tính toán phân bố công suất một phần; Phương pháp hệ số chuyển tải; Phương pháp mở rộng vùng và phương pháp định vùng

Chương 2 - CÁC PHẦN MỀM PHÂN TÍCH AN TOÀN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Các phần mềm phân tích an toàn hệ thống điện đang được sử dụng hiện nay

2.1.1 Phần mềm PSS/E

2.1.2 Phần mềm PSS/ADEPT

2.1.3 Phần mềm Conus

2.1.4 Phần mềm Power World

2.2 Phân tích an toàn bằng phần mềm PSS/E

Do tính ưu việt của phần mềm và đặc điểm lưới điện nên trong phạm vi luận văn này tác giả sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán phân tích an toàn hệ thống điện 110kV khu vực miền Trung

Các dạng tính toán sự cố trong PSS/E:

- Sự cố đơn lẻ một phần tử (N-1)

- Sự cố hai phần tử (N-2)

2.2.1 Cấu trúc câu lệnh trong file subsystem:

File sub dùng để mô tả tất cả các bus trong một hệ thống,

mà hệ thống đó đã được định nghĩa trong chương trình PSS/E

2.2.2 Cấu trúc câu lệnh trong file contingency:

File con được sử dụng để mô tả các sự cố thiết bị trong hệ thống, các thiết bị này có các bus nằm trong phạm vi file sub

2.2.3 Cấu trúc câu lệnh trong file monitor:

File mon dùng để mô tả “phạm vi” giám sát khi phân tích

hệ thống Ở đây “phạm vi” có thể là điện áp các nút, tỉ lệ hoặc/và độ thay đổi của công suất, dòng điện, điện áp … qua các thiết bị

2.3 Kết luận

Ta thấy các phần mềm trên đều có những chức năng tính toán đầy đủ, chính xác bài toán giải tích mạng Việc lựa chọn phần mềm tính toán tùy theo điều kiện thực tế (đơn vị công tác) và dựa trên đối tượng tính toán của mỗi bài toán (sử dụng cho lưới phân phối hay lưới truyền tải) mà ta đưa ra quyết định sử dụng phần mềm nào

Do đối tượng tính toán là lưới 110kV và yêu cầu đặt ra là có

độ chính xác cao, có thể sử dụng dễ dàng trong quá trình mô phỏng nên trong phạm vi đề tài này tác giả sử dụng phần mềm PSS/E để phân tích an toàn HTĐ

Ở phần nội dung trên tác giả cũng đã giới thiệu về các tập tin sub, con, mon được sử dụng trong chương trình để tính toán và cấu trúc câu lệnh trong các tập tin trên

Việc nghiên cứu cụ thể mô đun phân tích an toàn (Contingency Analysis) của phần mềm PSS/E sẽ cho phép chúng ta phân tích an toàn HTĐ miền Trung trong chương tiếp theo

Chương 3 - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỆN 110KV

MIỀN TRUNG VÀ QUY TRÌNH PHÂN TÍCH AN TOÀN HTĐ 3.1 Nguồn điện, lưới điện và phụ tải

3.1.1 Nguồn điện HTĐ miền Trung:

Hệ thống điện 110kV khu vực miền Trung chủ yếu nhận điện

từ các nguồn sau:

- Từ 03 trạm biến áp 500kV, 14 trạm biến áp 220kV

- Nối với HTĐ miền Bắc và hệ thống điện miền Nam qua các đường dây 220kV và 110kV

- Nối với 34 nhà máy điện (NMĐ)

Ngoài các nhà máy trên còn có một số nhà máy thủy điện nhỏ với tổng công suất gần 50 MW nối vào lưới điện phân phối

3.1.2 Phụ tải HTĐ miền Trung:

Phụ tải của HTĐ miền Trung chiếm tỷ lệ khoảng 12% so với

phụ tải của HTĐ quốc gia Bảng số liệu phụ tải 24 giờ xem bảng 3.1

Biểu đồ phụ tải đặc trưng trong ngày của HTĐ 110kV khu vực

miền Trung theo từng giờ được thể hiện ở hình 3.1

Bảng 3.1 Công suất các giờ trong ngày của HTĐ miền Trung

Hình 3.1 Biểu đồ phụ tải ngày đặc trưng

3.1.3 Lưới điện 110kV miền Trung:

Hệ thống lưới điện chủ yếu là các đường dây và trạm biến áp

h MW

Tính đến thời điểm tháng 02/2018, công ty Lưới điện cao thế miền Trung (CGC) quản lý vận hành:

- 90 TBA 110kV với 140 MBA tổng công suất 4.265 MVA

- 2.929,222 km đường dây 110kV (1.826,636 km ĐZ mạch đơn, 516,293 km ĐZ 110kV mạch kép)

3.1.4 Kết dây cơ bản của HTĐ 110kV miền Trung:

Các điểm mở vòng tại 112/T220 Thạnh Mỹ, 172/T110 Ayunpa, 171/T110 Eatam, 173/T110 Đăkr’lấp, 174/T110 Cam Ranh,

172/T110 Ninh Hải

Nhà máy thủy điện Đa Nhim kết nối với trạm 500kV Pleiku qua đường dây 220kV Đa Nhim - Nha Trang – Krông Buk - Pleiku

3.1.5 Đặc điểm vận hành hệ thống điện miền Trung:

Vận hành HTĐ miền Trung được chia làm hai mùa rõ rệt: vào mùa mưa và vào mùa khô

- Vận hành vào mùa mưa: Có hai vấn đề cần quan tâm đó là điện áp cao vào thời gian thấp điểm và quá tải, đầy tải vào thời gian cao điểm

- Vận hành vào mùa khô: Phụ tải sinh hoạt tăng cao, nguồn thủy điện tại chỗ giảm thấp làm quá tải cục bộ một số máy biến áp 110kV hoặc đầy tải một số MBA 220kV

a Ưu điểm:

- HTĐ miền Trung tương đối nhiều nguồn thủy điện

Đặc biệt khu vực có một số nhà máy thủy điện có khả năng phát độc lập và khởi động đen tốt như NMĐ A Lưới, A Vương,

Quảng Trị Hệ thống điện có kết lưới rất linh hoạt do có thể nhận

điện từ nhiều nguồn khác nhau

3.2 Quy trình phân tích an toàn hệ thống điện

Hình 3.2 Sơ đồ khối quy trình phân tích an toàn HTĐ

3.3 Xây dựng dữ liệu phân tích an toàn

Trong đề tài tác giả chỉ tính toán và xử lý đối với các trường hợp sự cố gây quá tải các thiết bị chính trong lưới điện 110kV và giám sát điện áp các nút quan trọng trong khu vực này

- Cấu trúc câu lệnh file sub sử dụng trong chương trình: SUBSYSTEM CGC

AREA 3

END

END

- Cấu trúc câu lệnh file con như sau:

Trong phạm vi đề tài tác giả sử dụng file con dạng 1, tức là lập một danh sách các sự cố đối với các thiết bị quan trọng trong hệ thống Cụ thể là danh sách sự cố các đường dây 110kV liên kết hệ thống điện

Sau đây là chi tiết các câu lệnh:

/SU CO CAC DZ 110KV NOI LUOI

CONTINGENCY SUCO_DZ110 DONGHA220-DONGHA110 TRIP LINE FROM BUS 302102 TO BUS 302301 CKT 1

END

CONTINGENCY SUCO_DZ110 BADON220-BADON110 TRIP LINE FROM BUS 301302 TO BUS 301102 CKT 1

Chương 4 - PHÂN TÍCH AN TOÀN HỆ THỐNG ĐIỆN 110KV MIỀN TRUNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VẬN HÀNH 4.1 Chế độ vận hành của hệ thống điện

4.1.1 Hệ thống điện ở chế độ cảnh báo

4.1.2 Hệ thống điện ở chế độ khẩn cấp

4.1.3 Hệ thống điện ở chế độ cực kỳ khẩn cấp

4.2 Phân tích an toàn HTĐ miền Trung ở chế độ bình thường

4.2.1 Phân tích an toàn HTĐ chế độ bình thường mùa khô:

Ở chế độ bình thường mùa khô như ta thấy tất cả các đường dây đều vận hành an toàn trong giới hạn cho phép, đường dây mang tải

cao nhất chỉ có 88% là ĐZ TĐ_ZaHưng – Thạnh Mỹ 220kV

Điện áp các nút đều nằm trong giới hạn cho phép từ 0,95 – 1,1

Pu

4.2.2 Phân tích an toàn HTĐ chế độ bình thường mùa mưa:

Ở chế độ bình thường mùa mưa ta thấy tất cả các đường dây đều vận hành trong giới hạn cho phép, đường dây mang tải cao nhất là

ĐZ CuJut – ĐăkMil (87%), Ninh Hòa – Nha Trang 220kV (87%)

Điện áp các nút đều nằm trong giới hạn cho phép từ 0,95 – 1,1 Pu

4.3 Phân tích an toàn HTĐ miền Trung ở chế độ N-1

4.3.1 Phân tích an toàn HTĐ miền Trung mùa khô chế độ N-1:

4.3.1.1 Các tình huống sự cố N-1 nguy hiểm trong mùa khô: Bảng 4.1 Các ĐZ có mức mang tải >100% ở chế độ N-1 mùa khô

1 DZ PLEIKU 500kV - DIEN

HONG 110kV

DZ 110kV DIEN HONG - PLEIKU 500kV - L2 139,0

Bảng 4.2 Giá trị điện áp các nút (Bus 110kV) ở chế độ N-1 mùa khô

 Xử lý khi ĐZ 110kV Phù Mỹ 220kV- Mỹ Thành 110kV bị

quá tải là 133%, ĐZ 110kV Mỹ Thành – Phù Cát quá tải là 109%

Cụ thể: Giảm tải trạm Phù Cát từ 33,3 MW xuống còn 20,3

MW, trạm An Nhơn từ 30 MW xuống còn 20,1 MW Lúc này thì mức mang tải của ĐZ 110kV Phù Mỹ 220kV - Mỹ Thành là 94%,

và Đông Hà – Lệ Thủy thì hệ thống sẽ ổn định

Lúc này tạm thời vận hành ĐZ 110kV Đông Hà 220kV – Đông Hà 110kV với mức mang tải 98%, ĐZ 110kV Đồng Hới

220kV – Áng Sơn 110kV với mức 91%

 Xử lý khi ĐZ 110kV Krong Buk 220kV – Buôn Ma Thuột

bị quá 117% Để chống quá tải cho ĐZ trên thì Điều độ miền phải đóng MC171 trạm 110kV Eatam để phụ tải nhận một phần nguồn từ thủy điện Buon Kuop qua ĐZ 110kV Eatam – Buôn Ma Thuột Huy động công suất thủy điện Buôn Kuop từ 74,2 lên 112 MW

 Xử lý khi ĐZ 110kV Duy Xuyên - Điện Bàn bị quá tải là

117%, ĐZ Đà Nẵng 500kV – Điện Bàn 110kV bị quá tải 116% Đối với trường hợp sự cố này ta cần giảm tải ở các trạm cuối là khoảng 21,2 MW để chống quá tải cho ĐZ

Cụ thể trạm Duy Xuyên giảm từ 31,2 MW xuống 21,2 MW

Tam Kỳ 220kV – Tam Thăng 110kV bị quá tải là 110%

Đối với trường hợp sự cố này ta cần giảm tải ở các trạm này khoảng 26,4 MW để chống quá tải cho 2 ĐZ trên và đưa hệ thống về trạng thái an toàn

Cụ thể trạm Duy Xuyên giảm từ 31,2 MW xuống 21,2 MW, trạm Thăng Bình từ 36,2 MW xuống 30 MW và trạm Hội An từ 50,73 MW xuống 40,73 MW

Khi đó ĐZ 110kV Hội An - Điện Nam Điện Ngọc mang tải

là 86% và ĐZ Tam Kỳ 220kV – Tam Thăng 110kV là 94%

 Xử lý khi ĐZ 110kV: Quy Nhơn 220kV - Nhơn Tân

110kV bị quá tải là 102,2%, ĐZ Huế 220kV - Phú Bài 110kV bị

quá tải là 102%, ĐZ 110kV Phù Mỹ 220kV - Phù Mỹ 110kV bị quá tải là 100,2%

Đây là các trường hợp bị quá tải nhẹ tạm thời trên ĐZ nên ĐĐV không cần thay đổi kết cấu lưới mà chỉ cắt giảm bớt khoảng 5% công suất phụ tải thì các ĐZ trở về vận hành an toàn

Ở chế độ N-1 vào mùa khô sau khi khắc phục tình trạng quá tải các ĐZ thì ta thấy điện áp tại các nút đều nằm trong giới hạn cho phép từ 0,95 đến 1,1 Pu

4.3.2 Phân tích an toàn HTĐ miền Trung mùa mưa chế độ N-1:

4.3.2.1 Các tình huống sự cố N-1 nguy hiểm trong mùa mưa: Bảng 4.3 Các ĐZ có mức mang tải >100% ở chế độ N-1 mùa mưa

1 DZ PLEIKU 500kV – DIEN

HONG 110kV

DZ 110kV DIEN HONG - PLEIKU 500 - L2 127

4 DZ QUY NHON 220kV-AN

Khi sự cố thì có một số vị trí có điện áp giảm thấp nhẹ nhưng sau khi khắc phục sự cố chống quá tải các đường dây thì cũng đã cải thiện được điện áp các vị trí này trở về trong giới hạn cho phép

 Xử lý khi ĐZ Quy Nhơn 220kV – An Nhơn 110kV bị cắt ra

dẫn đến ĐZ 110kV Phù Mỹ 220kV - Mỹ Thành 110kV bị quá tải là

122%, ĐZ 110kV Mỹ Thành – Phù Cát quá tải là 101%

Đây là trường hợp cực kỳ khẩn cấp nên cần phải cắt giảm tải ngay để chống quá tải cho 02 ĐZ trên

Cụ thể giảm tải trạm phù cát từ 29,8 MW xuống còn 21,3

MW, trạm An Nhơn từ 26,2 MW xuống còn 18,7 MW Lúc này thì mức mang tải của ĐZ 110kV Phù Mỹ 220kV - Mỹ Thành 110kV là 92%, ĐZ 110kV Mỹ Thành – Phù Cát là 70% đảm bảo vận hành ổn định

 Xử lý khi ĐZ 110kV Đông Hà 220kV – Đông Hà 110kV bị

cắt ra dẫn đến mạch 2 còn lại của đường dây này sẽ bị quá tải là 114% Đây cũng là trường hợp cực kỳ khẩn cấp nên ĐĐV phải

nhanh chóng thực hiện thao tác thay đổi kết cấu lưới như sau:

Chuyển trạm 110kV Vĩnh Linh nhận nguồn từ trạm Đồng Hới 220kV Cụ thể là cắt mạch ĐZ 110kV Quáng Ngang – Vĩnh