Phương pháp nhận biết, dò tìm, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện cho lưới điện phân phối thành phố Hồ Chí Minh

Bài viết phân tích, đánh giá và xếp hạng các phương án cách ly và khôi phục điện được đề ra dựa vào hai điều kiện ràng buộc chính (bao gồm số lần thao tác đóng/cắt điện nhỏ nhất và tổng công suất được khôi phục sau sự cố lớn nhất). Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên lưới điện phân phối Tp. HCM được trình bày để chứng minh hiệu quả và tính khả thi của nghiên cứu này. Mời các bạn cùng tham khảo!

1355

PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT, DÒ TÌM, CÁCH LY SỰ CỐ

VÀ KHÔI PHỤC CUNG CẤP ĐIỆN CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Lê Duy Phúc1,*, Bùi Minh Dương2, Châu Minh Tiến1, Nguyễn Tường Trung1

1Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp.HCM, Tổng công ty Điện lực Tp.HCM

2 Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Mô hình lưới điện thông minh đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu gần đây, trong đó có lĩnh vực tự động hóa lưới điện phân phối Vấn đề tự động khôi phục cung cấp điện (viết tắt là FDIR-Fault Detection, Isolation and Service Restoration) trên lưới điện phân phối là một trong những vấn đề mấu chốt để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho khách hàng Như vậy, các sự cố trên lưới điện cần được nhận biết nhanh chóng và dò tìm vị trí chính xác trước khi đề xuất các phương án cách ly và khôi phục cung cấp điện cho lưới điện phân phối với thời gian xử lí nhanh nhất, giảm thiểu tối đa lượng công suất điện bị mất hoặc số khách hàng bị mất điện Trong nghiên cứu này, việc sử dụng các tín hiệu từ chỉ báo sự cố kết hợp với tín hiệu cắt của relay quá dòng được chọn làm cơ sở để nhận biết và dò tìm phân đoạn sự cố một cách chính xác Tiếp theo, những phân tích, đánh giá và xếp hạng các phương án cách ly và khôi phục điện được đề ra dựa vào hai điều kiện ràng buộc chính (bao gồm số lần thao tác đóng/cắt điện nhỏ nhất và tổng công suất được khôi phục sau sự cố lớn nhất) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên lưới điện phân phối Tp.HCM được trình bày để chứng minh hiệu quả và tính khả thi của nghiên cứu này

Từ khóa: Lưới điện phân phối, nhận biết sự cố, dò tìm sự cố, cách ly sự cố, khôi phục cung cấp điện

1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP FDIR TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Khi vận hành lưới điện phân phối, vấn đề cần phải quan tâm chính là chất lượng điện năng và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng Để thỏa mãn yêu cầu này thì việc áp dụng công nghệ tự động khôi phục (FDIR) là rất cần thiết Trước tiên, FDIR sẽ nhận biết và dò tìm chính xác vị trí sự cố, sau đó đưa ra phương án cách ly vùng bị sự cố và khôi phục mất điện cho vùng bị ảnh hưởng bởi sự cố Điểm mạnh của phương pháp này là khả năng nhận dạng nhanh chóng các sự cố, xác định chính xác phân đoạn bị sự cố và giúp thu hẹp phạm vi mất điện nhờ vào những phương án cách ly và khôi phục phù hợp

1.1 Tổng quan về phương pháp nhận biết sự cố

Hai khâu xử lý quan trọng nhất trong FDIR chính là nhận biết và dò tìm vị trí sự cố Để dò tìm phân đoạn

bị sự cố, các tín hiệu cảnh báo được truyền từ những thiết bị nhận biết sự cố được lắp đặt tại các phát tuyến đầu nguồn (FTU – Feeder Terminal Unit) hoặc các thiết bị chỉ báo sự cố (FI – Fault Indicator) được

1356

tích hợp trong các thiết bị đóng cắt kết hợp với trạng thái hiện hữu của lưới điện được thể hiện trong các tài liệu [1-3]

1.2 Tổng quan về phương pháp dò tìm, cách ly vị trí sự cố

Tài liệu [4-5] trình bày phương pháp dò tìm vị trí sự cố dựa vào phương pháp phân tích tổng trở tương đương Trong phương pháp này, giá trị tổng trở được xác định nhờ vào dòng điện và điện áp sự cố truy xuất từ bảng ghi sự cố của các relay/recloser để dò tìm những vị trí có xác suất xảy ra sự cố trong lưới điện Tài liệu [6-8] ứng dụng các phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo, hệ logic mờ, phép lai hoặc hệ chuyên gia để dò tìm vị trí sự cố trên lưới điện phân phối Tuy nhiên, các phương pháp này lại không phù hợp khi có sự thay đổi về cấu trúc trong lưới điện phân phối Hơn nữa, phương pháp này cần khá nhiều thời gian dò tìm vị trí sự cố Do đó, thời gian khôi phục cung cấp điện có thể không được đảm bảo

1.3 Tổng quan về phương pháp khôi phục cung cấp điện

Ở các tài liệu [9-10], các phương pháp khôi phục cung cấp điện dựa vào giải thuật lập trình hoặc giải thuật tìm kiếm (heuristics hoặc meta-heuristics) được giới thiệu Các giải thuật này có thể tốt hơn những giải thuật khác bởi vì tính mở rộng trong quá trình tìm kiếm và không giới hạn ngưỡng biên độ cho phép Mặt khác, điểm yếu của phương pháp tìm kiếm heuristic có thể được liệt kê như sau: (i) không đảm bảo tính tối ưu, (ii) gặp khó khăn khi tính toán lưới điện có kích thước lớn và độ phức tạp cao

1.4 Những đóng góp trong nghiên cứu

Nghiên cứu này trình bày phương pháp tiếp cận công nghệ tự động khôi phục (FDIR) cho lưới điện phân phối Tp.HCM Những thiết bị chỉ báo sự cố được lắp đặt dọc trên tuyến dây của lưới điện phân phối để phân đoạn các phát tuyến Các tín hiệu cảnh báo và các tín hiệu cắt bảo vệ từ FTU, FI, relay quá dòng/recloser được sử dụng để phân tích và dò tìm vị trí sự cố Tiếp theo đó, các phương án cách ly sự cố

và khôi phục cung cấp điện được tìm kiếm và đề xuất dựa vào việc giải quyết hàm mục tiêu với hai điều

kiện ràng buộc chính: i) lượng điện được khôi phục là lớn nhất và ii) số bước thao tác là nhỏ nhất

2 PHƯƠNG PHÁP FDIR ĐỀ XUẤT

2.1 Phương pháp nhận biết sự cố

Trong nghiên cứu này, phương pháp FDIR đề xuất cách nhận biết sự cố dựa vào tình trạng mất điện áp (LoV) của recloser (REC) và tín hiệu cắt từ các relay quá dòng/recloser Khi sự cố xảy ra, các chức năng bảo vệ của các relay/recloser sẽ nhanh chóng khởi động và hoạt động để cách ly dòng sự cố, đồng thời, các tín hiệu cắt từ các relay/recloser sẽ được sử dụng kết hợp với trạng thái mất điện của lưới để nhận biết

vị trí phân đoạn sự cố trong lưới điện phân phối

2.2 Phương pháp dò tìm vị trí sự cố

Phương pháp dò tìm vị trí sự cố đề xuất dựa vào việc phân tích tín hiệu cắt từ relay/recloser và tình trạng mất điện áp (LoV) Dựa vào trạng thái vận hành đóng/mở và tín hiệu cắt kích hoạt/không kích hoạt của máy cắt hoặc reclosers, việc dò tìm phân đoạn sự cố sẽ cho kết quả chính xác, hỗ trợ hiệu quả trong việc tìm kiếm các phương án cách ly và khôi phục cung cấp điện cho những khu vực bị ảnh hưởng bởi sự cố

2.3 Phương pháp cách ly sự cố

Khi không có sự tham gia của nguồn phát phân tán (DGs-Distributed Generators) thì trong lưới điện phân phối dòng chảy công suất chỉ có một chiều duy nhất từ nguồn đến tải Trong trường hợp xuất hiện sự cố,

1357

dịng điện ngắn mạch sẽ cĩ hướng xuất phát từ nguồn đến điểm sự cố Do vậy, các thiết bị bảo vệ cĩ thể nhận biết nhanh chĩng dịng điện sự cố và hoạt động để cách ly sự cố

2.4 Phương pháp khơi phục cung cấp điện

Trong phương pháp khơi phục cung cấp điện, phương pháp FDIR đề xuất giải quyết hàm mục tiêu với hai điều kiện ràng buộc chính như sau:

– Cực đại hĩa lượng cơng suất cĩ thể khơi phục;

– Cực tiểu hĩa số bước thao tác;

Trong trường hợp cĩ nhiều phương án được đề xuất, cơng cụ FDIR sẽ tiến hành xếp hạng thứ tự ưu tiên thực thi các phương án thỏa mãn điều kiện ràng buộc tốt nhất dựa vào các chỉ số đánh giá độ hiệu quả (PI – Performance Index)

Bảng 1 Các chỉ số đánh giá độ hiệu quả phương án khơi phục vùng mất điện

[1] STT [2] Chỉ số đánh giá độ hiệu

quả

[3] Mơ tả chi tiết đánh giá độ hiệu quả

[6] PIdcs =m (Bquá tải,i)2

[7] Nếu khơng cĩ nhánh nào quá tải thì B quá tải = 0,

ngược lại B quá tải = P tt – P gh , với P tt là dịng cơng suất tính

tốn và P gh là dịng cơng suất cho phép vận hành trên

nhánh

[10] PF = n Ráp_vi phạm,i2

áp i=1 với n: số lượng nút

[11] Nếu điện áp ở nút cao hoặc thấp hơn giá trị điện áp

cho phép vận hành thì R áp-vi phạm = |V tínhtốn – V giới hạn|,

ngược lại R áp-vi phạm = 0 trong trường hợp tất cả điện áp nút tính tốn nằm trong dãy điện áp cho phép

[12] 3 [13] Tổng chi phí đĩng cắt thiết bị (TCPĐC)

[14] Chỉ số này thể hiện chi phí đĩng cắt thiết bị khi thực hiện phương án cách ly sự cố và khơi phục cung cấp điện

[15] 4 [16] Cơng suất khơng thể khơi phục (CSKTKP)

[17] Phân đoạn sự cố sau khi được xác định, FDIR sẽ tính tốn chỉ số đánh giá mất điện bằng cách xác định khu vực bị sự cố

[18] 5 [19] Số khách hàng mất điện (KHMĐ)

[20] Số khách hàng mất điện được xác định dựa vào số máy biến áp phân phối khơng được cung cấp điện Thơng tin số lượng khách hàng và máy biến áp bị mất điện tổng hợp trên chương trình quản lý mất điện Outage

Management System (OMS)

[21] 6 [22] Số bước thao tác (BTT) [23] Số lượng bước thao tác cần phải thực hiện cho một phương án do FDIR đề xuất

[26] Tương ứng với từng cấu trúc lưới điện phân phối, cơng cụ FDIR sẽ so sánh giá trị cài đặt bảo vệ hiện hữu của các thiết bị bảo vệ với giá trị tính tốn ngắn mạch cho nhiều dạng sự cố, loại sự cố Nếu như giá trị dịng

1358

ngắn mạch tính toán nhỏ nhất cao hơn giá trị cài đặt hiện hữu, công cụ FDIR sẽ xuất thông tin cảnh báo Và ngược lại, giá trị cài đặt hiện hữu vẫn đảm bảo độ tin cậy về mặt phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ

Các chỉ số đánh giá độ hiệu quả của phương án khôi phục cung cấp điện nêu trên đều được đưa vào tính toán trong một hàm mục tiêu tổng quát, được biểu diễn bằng công thức sau:

n F=min w ×PI

i i i=1

 Trong đó:

w: Là trọng số tương ứng các chỉ số PI có giá trị từ 0 đến (∞)

n: Số thứ tự của chỉ số đánh giá độ hiệu quả nêu trong Bảng 1

Trên cơ sở đó, FDIR sẽ xếp hạng các phương án khả thi thực hiện để khôi phục cung cấp điện cho những vùng bị ảnh hưởng bởi sự cố theo thứ tự giảm dần, nghĩa là phương án có chỉ số đánh giá độ hiệu quả PI nhỏ nhất sẽ có thứ tự xếp hạng cao nhất

2.5 Các bước thực hiện chính đối với giải thuật FDIR được phát triển

Các bước thực hiện chính trong việc nhận biết, dò tìm, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện, khi có sự

cố xảy ra trên lưới điện phân phối, được trình bày như sau:

– Bước 1: Hiện trạng lưới điện phân phối được hệ thống SCADA/DMS giám sát bao gồm: tình trạng mất điện áp, dòng điện sự cố, tín hiệu cắt từ các relay/recloser

– Bước 2: Khi điện áp tại nút thấp hơn giá trị điện áp ngưỡng và giá trị dòng điện pha/đất lớn hơn giá trị dòng điện ngưỡng của relay bảo vệ quá dòng/recloser thì hệ thống sẽ nhận biết sự cố xuất hiện trên lưới

– Bước 3: Để dò tìm vị trí sự cố trên lưới điện phân phối thì các tín hiệu cắt từ relay/recloser được sử dụng Vị trí kích hoạt của các tín hiệu đó sẽ cho biết chính xác phân đoạn sự cố

– Bước 4: Sau khi phân đoạn sự cố được xác định, các dữ liệu phụ tải trong vòng 15 phút trước thời điểm sự cố được truy xuất để phân tích khả năng chuyển tải

– Bước 5: Phương pháp cách ly và khôi phục được tiến hành thông qua giải hàm mục tiêu với hai điều

kiện ràng buộc: Khôi phục tối đa phân đoạn bị ảnh hưởng bởi sự cố và số bước thao tác ít nhất

– Bước 6: Các phương án khôi phục được xếp hạng theo các chỉ số đánh giá độ hiệu quả được chọn – Bước 7: FDIR đề xuất các bước thao tác ứng với phương án được chọn để thực thi bởi Điều hành viên

1359

3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Thanh cái C41

Recloser Nga 4

An Nhon Tay

Nút 01

110kV

110/22kV

22kV

16MVA

LBS Nong Truong An Phu

Recloser

An Phu

Nút 02

LBS An Nhon Tay

Recloser

An Phu 1

473 Go Noi

Nút 05

Recloser Co Co

Recloser Lo 6

Recloser Trung Binh

Recloser Trung Lap Thuong Recloser Sa Nho

475 Phu Thuan

LBS Bau Dung

LBS Ho Bo

Recloser Phu Loi

Nút 03 Nút 04

Nút 06

Nút 07

Nút 08

Nút 09 Nút 10

Nút 11 Nút 12

Nút 13

Recloser Cau Mang

478 Ap Tay

482 Kinh Ly

110kV 110/22kV

63MVA

Trạm Bầu

Đưng

Trạm Củ Chi 2 Thanh cái

C42

Loads

471 Ba Thien

22kV

R

R

L

L R

R

R

R

R

R

Nút 13

Loads

Nguồn

Nguồn

F1

F2

F3

Hình 1 Sơ đồ trạm Bàu Đưng có thể hiện vị trí sự cố khác nhau

Hình 1 thể hiện sơ đồ nguyên lý rút gọn của trạm Bàu Đưng 110/22kV thuộc lưới điện thành phố Hồ Chí Minh Trong đó, trạm Bàu Đưng gồm có ba phát tuyến chính 471 Bà Thiên, 473 Gò Nổi và 475 Phú Thuận được lắp đặt tại đầu các phát tuyến Ngoài ra, trạm Bàu Đưng sử dụng máy biến thế với dung lượng định mức là 16MVA Recloser An Phú 1 (REC An Phú 1) được sử dụng để làm thiết bị giao liên giữa phát tuyến 471 Bà Thiên và 475 Phú Thuận Ngoài ra, tuyến 475 Phú Thuận và 473 Gò Nổi cũng được kết nối thông qua LBS Bàu Đưng và Recloser Sa Nhỏ (REC Sa Nhỏ) Bên cạnh đó, Recloser Lô 6 (REC Lô 6) và Recloser Trung Bình (REC Trung Bình) cũng là các thiết bị giao liên thường mở Các thiết bị giao liên này sẽ đóng lại khi xuất hiện quá tải hoặc vận hành bất thường của trạm Bàu Đưng Trạm Củ Chi 2 sử dụng máy biến thế có dung lượng 63MVA điện áp 110/22kV với hai phát tuyến 482 Kinh Lý và 478 Ấp Tây Recloser Lô 6 được sử dụng để liên kết trạm Bàu Đưng và tuyến 482 Kinh Lý trạm Củ Chi 2, trong khi đó, recloser Trung Bình là phương án khép vòng giữa tuyến 478 Ấp Tây trạm Củ Chi 2 và trạm Bàu Đưng Các máy cắt và recloser này đều được trang bị chức năng SCADA, do đó, các thiết bị này có thể được giám sát và điều khiển từ xa Ví dụ, khi có sự cố xảy ra, các recloser sẽ hoạt động cách ly sự cố và thông báo thông tin về tình trạng vận hành đến hệ thống SCADA/DMS Trung tâm Sau đó, công cụ FDIR

sẽ đề xuất các giải pháp tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu với hai điều kiện ràng buộc đã đề cập trong phần 2

Ba vị trí phân đoạn sự cố khác nhau F1, F2, F3 với sự cố F1 ở giữa thanh cái C41 và nút 7 của tuyến 473

Gò Nổi, sự cố F2 giữa nút 7 và nút 9 và sự cố F3 giữa nút 9 và nút 11

Một sự cố dạng hai pha chạm đất xảy ở phát tuyến 473 Gò Nổi lúc 22:21:05, ngày 14 tháng 4 năm 2018

Sự cố xảy ra trên phân đoạn F2 làm 81% khách hàng mất điện trên phát tuyến 473 Gò Nổi với lượng công suất khoảng 0,923MW Sự cố này sẽ được nhận biết và cách ly bởi chức năng bảo vệ quá dòng chạm đất

và pha của recloser Cổ Cò Nhờ vào các tín hiệu truyền từ relay/recloser, FDIR tiến hành phân tích các dữ

1360

liệu và xác định chính xác phân đoạn sự cố nằm giữa recloser Cổ Cò và recloser Trung Lập Thượng Sau

đó, FDIR tiến hành tìm kiếm các phương án cách ly và khôi phục cung cấp điện cho trường hợp này với kết quả chi tiết được trình bày cụ thể trong Bảng 2 và Bảng 3

Bảng 2 Phương án cách ly và khôi phục đề xuất bởi FDIR đối với sự cố xảy ra tại phân đoạn F2

thực hiện

Số KH được khôi phục

Số KH không khôi phục (KH)

Số lượng điện không khôi phục (kW)

Tổng PI

1

Bước 1: Mở REC Trung Lập Thượng

để cách ly sự cố;

Bước 2: Đóng REC Sa Nhỏ để khôi

phục để khôi phục nguồn cho phân

đoạn sau phát tuyến 475 Phú Nhuận;

Bảng 3 Thống kê kết quả tính toán các chỉ số đánh giá độ hiệu quả của phương án đề xuất

4 KẾT LUẬN

Nghiên cứu này trình bày phương pháp FDIR cho lưới điện Tp.HCM bằng việc kết hợp các tín hiệu cắt bảo vệ với trạng thái vận hành theo thời gian thực của các relay/recloser trên lưới điện phân phối để nhanh chóng nhận biết và dò tìm vị trí sự cố một cách chính xác Ngoài ra, phương pháp FDIR được đề xuất đem lại hai ưu điểm chính như sau:

1 Phương pháp cô lập và khôi phục cung cấp điện được thực hiện bằng cách giải hàm mục tiêu dựa vào hai điều kiện ràng buộc chính;

2 Dựa trên kết thực nghiệm và mô phỏng, tổng thời gian xử lý của phương pháp FDIR thỏa mãn yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện trong lưới điện phân phối

Đối với mọi kịch bản sự cố, các phương án cách ly và khôi phục tốt nhất đều được phân tích và xếp hạng Hơn nữa, các phương án cách ly và khôi phục đều ưu tiên những phát tuyến liền kề phát tuyến sự cố trong cùng một trạm trung gian trước khi quan tâm tới nguồn dự phòng từ các trạm trung gian khác Nghiên cứu

đã phân tích một kết quả thực nghiệm đối với lưới điện phân phối 22kV nhằm nhấn mạnh những ưu điểm của giải thuật FDIR đề xuất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Network based on Minimum Area and its Application, China International Conference on Electricity Distribution (CICED) 2012 Shang hai, Sep 10-14, 2012

[2] Lu Xin, Study on distribution network fault location based on fault indicator, Master thesis Electrical and automation institute of Tianjin University, 05, 2011

1361

Li Xi, An accurate fault location method of smart distribution network, 2014 China International

10.1109/CICED.2014.6991842

[4] G D Ferreira et al Impedance-based fault location for overhead and underground distribution systems The Proc North Amer Power Symp., Champaign, IL, USA, Sep 2012, pp 1–6

fault location for line-to-line fault, IEEE Trans Power Del., 2007, vol 22, no 4, pp 2541–2547 [6] J C S Souza, M A P Rodrigues, M T Schilling, and M B D C Filho, Fault location in electrical power systems using intelligent systems techniques IEEE Trans Power Del., 2001, vol

16, no 1, pp 59–67

[7] C Y Teo and H B Gooi Artificial intelligence in diagnosis and supply restoration for a distribution network IEE Proc Gener Transm Distrib., 1998, vol 145, no 4, pp 444–450

[8] J A Momoh, L G Dias, and D N Laird, An implementation of a hybrid intelligent tool for distribution system fault diagnosis, IEEE Trans Power Del., 1997, vol 12, no 2, pp 1035–1040

distribution systems, IEEE Trans Smart Grid, 2012, vol 3, no 3, pp 1525–1539

[10] D S Sanches, et al., Multi-objective evolutionary algorithm for single and multiple fault service restoration in large-scale distribution systems, Elect Power Syst Res., 2014, vol 110, pp 144–153