Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.

Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.Đề xuất hệ thống bảo vệ cho lưới điện phân phối thông minh có xem xét đến sự tích hợp của những nguồn năng lượng phân tán.

GIỚI THIỆU

Lý do lựa chọn đề tài

Hệ thống bảo vệ trên LĐPP đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc ngăn chặn dòng điện sự cố tập trung về vị trí ngắn mạch Hệ thống bảo vệ không chỉ giảm thiểu tối đa những thiệt hại về tài sản, an toàn cho tính mạng con người mà còn góp phần đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, những phát minh trong công nghệ nguồn DG ngày nay đã dẫn đến nhiều thay đổi trong vấn đề vận hành và bảo vệ hệ thống điện Điểm mạnh của các loại công nghệ nguồn phát hiện nay chính là tận dụng được nguồn nguyên/nhiên liệu sạch để chuyển hóa thành công suất điện, cung cấp cho phụ tải trong khi vận hành với chi phí tiết kiệm hơn so với nguồn điện truyền thống Hơn thế nữa, các nguồn DG có thể hoạt động như một nguồn năng lượng dự phòng, hỗ trợ khả năng khôi phục cung cấp điện khi LĐPP gặp sự cố Mặc dù vậy, sự hiện diện của những nguồn

DG này gây ra những thách thức nhất định liên quan đến vấn đề vận hành và bảo vệ hệ thống điện, chẳng hạn như: i) sự mất phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị, ii) sự thay đổi trạng thái vận hành của lưới do các đặc tính hoạt động của nguồn DG (sự gián đoạn công suất phát ngõ ra do ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, đặc tính P2P, đặc tính P&P)

Từ những nhận định trên, việc đề xuất hệ thống bảo vệ cho LĐPP có xem xét đến những đặc tính vận hành khác nhau của các nguồn DG là cấp thiết và sẽ được tác giả tập trung nghiên cứu trong luận án này Chi tiết hơn, phương pháp phát hiện, định vị, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện (gọi tắt là FLISR) cho LĐPP khi chưa tích hợp và có tích hợp các nguồn DG sẽ được phát triển và đánh giá tính hiệu quả Song song đó, việc cải tiến phương pháp phân tích ngắn mạch truyền thống để thích nghi hơn với những đặc tính vận hành của các nguồn DG sẽ là một điểm mới trong luận án này, nhằm cải thiện việc điều phối các thiết bị bảo vệ trên LĐPP thông qua việc xác định khoảng tin cậy tốt nhất của các điện áp nút Nhờ vào việc sử dụng những relay bảo vệ kỹ thuật số và TBBV thông minh khác, các phương án FLISR không chỉ đề xuất các bước thực hiện cách ly sự cố, khôi phục cung cấp điện mà còn chỉ ra cách thức nâng cao độ hoạt động tin cậy của hệ thống bảo vệ thông qua khả năng điều phối các TBBV nêu trên.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Khi xuất hiện sự cố trên LĐPP có liên kết với các nguồn DG, vấn đề cấp bách chính là việc nhận dạng sự cố nhanh chóng Ngay sau khi công tác dò tìm vị trí và cô lập khu vực bị sự cố hoàn tất, việc khôi phục cung cấp điện cho những khu vực phụ tải bị ảnh hưởng bởi sự cố sẽ được thực hiện Nhờ vào sự phát triển của các thiết bị truyền thông, các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số, các thiết bị truyền dữ liệu FTU, các bộ cảnh báo sự cố FI và các thiết bị đo lường thông minh trên LĐPP, các dữ liệu thời gian thực sẽ được thu thập nhằm phục vụ cho việc phát triển, cải tiến hệ thống bảo vệ khi có sự xuất hiện của các nguồn DG khác nhau (IBDG và RBDG)

Có thể thấy rằng, việc phát triển một hệ thống bảo vệ thích nghi và hiệu quả cho LĐPP không thể không xem xét đến xu hướng phát triển của các nguồn DG Chính vì vậy, các mục tiêu nghiên cứu được đề cập trong luận án này tập trung vào việc phát triển các phương pháp FLISR bên cạnh cải tiến phương pháp phân tích ngắn mạch và điều phối bảo vệ trên LĐPP khi có sự xuất hiện của những nguồn DG, cụ thể như sau:

1) Phát hiện sự cố nhanh chóng dựa vào việc so sánh những tín hiệu đo lường dòng điện và điện áp vượt quá giá trị ngưỡng cài đặt thích nghi và tỉ lệ cho trước (adaptable and scalable thresholds of current and voltage);

2) Định vị chính xác phân đoạn có sự cố dựa vào việc kết hợp những tín hiệu cảnh báo bảo vệ tác động TPS, bảo vệ khởi động PUS và tín hiệu chỉ báo sự cố FI từ các TBBV như relay bảo vệ kỹ thuật số, recloser, LBS, RMU và FI trên LĐPP;

3) Cách ly phân đoạn có sự cố và khôi phục cung cấp điện cho các phụ tải bị ảnh hưởng mất điện có xem xét đến hàm mục tiêu với hai điều kiện ràng buộc về mặt vận hành: i) khôi phục tối đa lượng công suất bị mất và ii) giảm thiểu tối đa số lần thao tác đóng cắt chuyển tải;

4) Phát triển phương pháp dự báo phụ tải, điện áp để xác định khoảng giá trị tin cậy của điện áp nút trên LĐPP có xem xét đến sự xuất hiện của nguồn DG nhằm cải thiện độ chính xác và số lần thực hiện phân tích ngắn mạch;

5) Cải thiện việc điều phối các bộ trị số của các thiết bị bảo vệ bằng cách sử dụng các giải thuật tìm kiếm tối ưu và đề xuất các chức năng bảo vệ mới để thích nghi với sự hiện diện của nguồn DG/MG trên LĐPP (đặc tính vận hành P2P, P&P và sự thay đổi đột ngột về trạng thái vận hành của chúng)

Trên cơ sở kết hợp các mục tiêu từ 1) đến 5), tác giả đề xuất một phương pháp FLISR hoàn chỉnh cho LĐPP có nguồn DG chứa các khâu xử lý sau: (1) khâu xử lý phát hiện, định vị, cách ly phân đoạn có sự cố và khôi phục cung cấp điện với tổng thời gian xử lý không quá 02 phút; (2) khâu xử lý phân tích ngắn mạch để cải thiện độ chính xác của kết quả và giảm thiểu đáng kể số lần thực hiện; và (3) khâu xử lý điều phối hệ thống bảo vệ để đảm bảo các TBBV hoạt động tin cậy khi LĐPP được tái cấu trúc

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu trên, những đối tượng nghiên cứu của luận án này được trình bày cụ thể như sau:

1) Các đặc tính vận hành của nhiều nguồn DG (IBDG và RBDG), cụ thể tập trung vào các loại nguồn IBDG như: hệ thống PVS và hệ thống BESS;

2) Các phương pháp phát hiện sự cố nhanh chóng sử dụng các thiết bị FTU có chức năng FI, recloser, relay bảo vệ kỹ thuật số;

3) Các phương pháp định vị/dò tìm vị trí sự cố chính xác;

4) Các phương pháp cách ly/cô lập sự cố và khôi phục cung cấp điện có xem xét các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành;

5) Các phương pháp phân tích ngắn mạch trên LĐPP có xét đến từng loại nguồn DG;

6) Các phương pháp dự báo phụ tải, dự báo khoảng tin cậy giá trị điện áp nút trên LĐPP;

7) Các phương pháp điều phối bảo vệ cho các relay kỹ thuật số hiện đang áp dụng cho LĐPP;

8) Sử dụng hệ thống SCADA/DMS để thu thập dữ liệu phục vụ cho phương pháp FLISR và tự động cài đặt các thiết bị bảo vệ;

9) Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thông tin 02 chiều và các giao thức truyền tin phục vụ trong lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện gồm: IEC 60870-5-104 và IEC

Nội dung nghiên cứu và giới hạn

1.3.1 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Hình 1.1 cho biết phạm vi và những nội dung nghiên cứu đã được thực hiện trong luận án Trước tiên, phương pháp FLISR sẽ được đề xuất áp dụng cho LĐPP khi chưa có nguồn DG/MG nhằm đánh giá khả năng thỏa mãn các điều kiện ràng buộc cũng như thời gian xử lý giải thuật nhanh Tiếp theo, phương pháp này tiếp tục được đề xuất cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG, được phân tích chi tiết ở Chương 3 Theo đó, phương pháp FLISR đã chứng minh việc tận dụng nguồn DG như một nguồn phụ trợ/dự phòng trong những phương án khôi phục cung cấp điện

Khi phân tích mật độ phân bổ năng lượng của bộ dữ liệu quá khứ thu thập, tác giả nhận thấy rằng mật độ phân bổ của phụ tải, điện áp nút trên LĐPP có dạng trực quan của hàm phân phối chuẩn Chính vì vậy, tác giả đã phát triển một phương pháp dự báo khoảng giá trị tin cậy dựa vào điện áp/dòng điện phụ tải để xác định khoảng dao động của dòng điện ngắn mạch tại các nút có liên kết với TBBV trên LĐPP có xem xét đến sự xuất hiện của nguồn DG, nhằm cải thiện độ chính xác và số lần thực hiện phân tích ngắn mạch, như được thảo luận tại Chương 4 Song song đó, việc nghiên cứu phương pháp điều phối hệ thống bảo vệ cũng đã được thực hiện trên LĐPP nhằm mục đích sử dụng hiệu quả kết quả phân tích ngắn mạch và kết quả của phương pháp FLISR Cuối cùng, trong Chương 5, tác giả đề xuất một phương pháp FLISR hoàn chỉnh cho LĐPP có nguồn DG có xem xét đến việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và hệ thống bảo vệ thích nghi dựa trên việc sử dụng các relay bảo vệ kỹ thuật số DDR

Tích hợp nguồn DG/MG vào LĐPP và đề xuất phương pháp FLISR (trong Chương 3) Đề xuất phương pháp phân tích ngắn mạch có xét đến những đặc tính vận hành đa dạng của nguồn DG/

MG (trong Chương 4) Đề xuất hệ thống bảo vệ cho LĐPP thông minh có tích hợp nguồn DG/MG (trong Chương 5) Đề xuất phương pháp điều phối bảo vệ quá dòng (trong Chương 4)

Hình 1.1 Những nội dung nghiên cứu chính trong luận án

Luận án này tập trung chủ yếu vào việc phát triển phương pháp FLISR, phân tích ngắn mạch, điều phối bảo vệ cho LĐPP khi có sự tích hợp của những loại nguồn DG khác nhau Theo đó, giới hạn nghiên cứu của luận án như sau:

1) Mô hình LĐPP sử dụng hệ thống nối đất trực tiếp Những hệ thống nối đất qua điện trở, nối đất qua cuộn kháng và hệ thống nối đất của các nguồn DG không thuộc phạm vi nghiên cứu;

2) Những chức năng bảo vệ sử dụng dòng điện thứ tự nghịch như F46 hoặc sử dụng điện áp làm giá trị tham chiếu như F27, F59, F47, ∆VUB chưa được xem xét trong luận án;

3) Tuy sử dụng các relay bảo vệ kỹ thuật số hoặc thiết bị tương tự đáp ứng tiêu chuẩn IEC 60870-5-104 hoặc IEC 61850 nhưng luận án chỉ tập trung vào việc khai thác khả năng cung cấp dữ liệu thời gian thực và truyền nhận dữ liệu tốc độ cao

4) Luận án không đặt vấn đề nghiên cứu chế tạo thiết bị bảo vệ mà chỉ tập trung vào việc nghiên cứu đề xuất cải tiến, kết hợp các mô-đun phần mềm cùng với các relay bảo vệ kỹ thuật số nhằm đáp ứng yêu cầu về thời gian xử lý nhanh và hoàn thiện kết quả của phương pháp FLISR dành cho LĐPP có nguồn DG

5) Mô hình DG/MG tích hợp vào LĐPP trong luận án được xây dựng thông qua cấu hình tiêu biểu từ tiêu chuẩn IEEE 1547 [59] DG/MG được kết nối đến LĐPP truyền thống tại vị trí ”weak bus” với công suất lắp đặt được lựa chọn để đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải cục bộ trong nhiều giờ mà còn có thể hỗ trợ khôi phục cung cấp điện cho tuyến dây trong ít nhất một giờ;

6) Hạ tầng truyền dẫn thông tin được giả định rằng hoạt động với độ tin cậy và ổn định cao Theo đó, số lượng và chất lượng của dữ liệu được đảm bảo đầy đủ, tin cậy để có thể tiến hành các nghiên cứu trong luận án;

7) Vấn đề phối hợp giữa các TBBV trên trục chính và các TBBV trên nhánh rẽ chưa được xem xét trong luận án này.

Phương pháp nghiên cứu và thực hiện

Để hoàn thành luận án này, tác giả đã đề ra các phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện như trong Bảng 1.1:

Bảng 1.1 Các phương pháp nghiên cứu tương ứng với từng phương pháp thực hiện

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực hiện

1 Tham khảo các tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đã đề ra trong nội dung nghiên cứu của luận án

 Sử dụng nguồn tài liệu từ các tạp chí khoa học, hội nghị chuyên ngành, bài báo nghiên cứu được công bố trên thư viện điện tử IEEEXPLORE, Springer, Energies, Elsevier và các tạp chí của các Trường Đại học trong nước

 Tham khảo các luận văn, luận án, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan

 Tham dự các Hội thảo chuyên đề trong và ngoài nước

 Tóm tắt ưu, khuyết điểm, xác định mức độ và phạm vi ứng dụng của các phương pháp bảo vệ LĐPP có DG khác

2 Thu thập dữ liệu thực tế để quan sát, xác định các mối quan hệ, liên kết với lĩnh vực nghiên cứu nhằm chỉ ra những điểm thiếu sót cần hoàn thiện/cải tiến/bổ sung hoặc cần phát triển giải pháp/phương pháp mới

 Xác định các đơn vị có thể cung cấp nguồn dữ liệu thực tế

 Vị trí thu thập dữ liệu thực tế để có thể bố trí thiết bị đo

 Quan sát nguồn dữ liệu thu thập để đối chiếu với thực trạng của các phương pháp nghiên cứu

 Chỉ ra những điểm còn thiếu sót nhằm bổ sung hoặc cải tiến hoặc hoàn thiện phương pháp trước hoặc phát triển giải pháp khắc phục những thiếu sót

3 Xây dựng, phát triển các mô hình, giải thuật liên quan đến phạm vi nghiên cứu

 Phân tích cơ sở lý thuyết về hệ thống bảo vệ và phân tích ngắn mạch đối với LĐPP

 Phát triển các mô hình, giải thuật liên quan để khắc phục những thiếu sót của các hệ thống bảo vệ LĐPP trước đó

4 Viết chương trình, công cụ, phần mềm để tích hợp các mô hình, giải thuật đã xây dựng, phát triển

 Xác định ngôn ngữ lập trình để xây dựng các chương trình, công cụ, phần mềm

 Xác định nguồn lực hỗ trợ/tài trợ thực hiện chương trình, công cụ, phần mềm

 Tích hợp các chương trình, công cụ, phần mềm để có thể phối hợp hoạt động với nhau

5 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm để thu thập các kết quả cùng với việc đánh giá kết quả thực nghiệm có được

 Xuất kết quả mô phỏng/thực nghiệm từ chương trình, công cụ, phần mềm đã phát triển

 Biểu diễn kết quả dưới dạng bảng biểu, hình ảnh

 Viết thuyết minh kết quả mô phỏng/thực nghiệm kết hợp với các nội dung đánh giá, phân tích cụ thể

6 Viết công trình nghiên cứu để công bố trên các tạp chí, hội nghị trong nước và quốc tế hoặc triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học

 Dựa trên những cơ sở lý thuyết mới và các kết quả mô phỏng/thực nghiệm, tác giả tiến hành phân tích, tổng hợp, phối hợp với nhóm hướng dẫn để viết bản thảo nộp cho các tạp chí, hội nghị trong nước và quốc tế

 Tiến hành hiệu chỉnh nếu bản thảo được yêu cầu hiệu chỉnh, sửa đổi, bổ sung

 Tổng hợp các công trình nghiên cứu đã được công bố vào nội dung của luận án

Đóng góp chính của luận án

Luận án này bao gồm bốn kết quả đóng góp chính cho hệ thống bảo vệ của LĐPP có tích hợp nguồn DG, được trình bày cụ thể như sau:

- Đã đề xuất một phương pháp FLISR hiệu quả cho LĐPP truyền thống và LĐPP có tích hợp nguồn DG Trên cơ sở sử dụng dữ liệu 1 từ các thiết bị IED, FTU có chức năng FI và relay bảo vệ kỹ thuật số để nhanh chóng phát hiện và định vị chính xác phân đoạn có sự cố trên LĐPP Ngay sau khi định vị được phân đoạn có sự cố, phương pháp FLISR tiếp tục triển khai bước đề xuất những phương án cách ly phân đoạn bị sự cố và khôi phục cung cấp điện những phân đoạn mất điện bởi sự cố dựa trên việc giải hàm mục tiêu 2 có xem xét hai điều kiện ràng buộc gồm: i) khôi phục tối đa lượng phụ tải điện bị mất và ii) số lượng bước thực hiện là thấp nhất Ưu điểm của phương pháp này chính là khả năng nhận diện và xử lý hiệu quả tình trạng hoạt động vượt cấp của relay bảo vệ kỹ thuật số 3 Những nguy cơ mất phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị liền kề cũng được chỉ ra trong kết quả phân tích của các phương án FLISR Hơn thế nữa, phương pháp FLISR đã ưu tiên tận dụng nguồn DG như một nguồn phát phụ trợ trong các phương án khôi phục cung cấp điện Cuối cùng, tổng thời gian thu thập và xử lý dữ liệu, tính toán phân tích để tìm kiếm và xếp hạng những phương án cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện là không quá hai phút nhờ vào hệ thống SCADA/DMS với mạng truyền dẫn thông tin tốc độ cao

- Trên cơ sở các nguy cơ mất phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị bảo vệ liền kề nhau được chỉ ra trong kết quả phân tích của từng phương án FLISR, việc cải tiến phương pháp phân tích ngắn mạch truyền thống đã được thực hiện và áp dụng cho LĐPP có tích hợp các nguồn DG Cụ thể hơn, các phương pháp dự báo phụ tải ngắn hạn được

1 Bằng giao thức truyền thông tin gồm IEC 60870-5-104 và IEC 61850

2 Dựa vào 07 tiêu chí đánh giá sau: i) PFV, ii) BVV, iii) LOP, iv) OC, v) NSS, vi) LOSS, và vii) PRV

3 Trên LĐPP, việc đặt nhiều thiết bị bảo vệ trên cùng một tuyến dây trung thế hoặc sau khi lưới điện thay đổi cấu phát triển để xác định khoảng giá trị tin cậy của điện áp nút Sau đó, các khoảng giá trị này tiếp tục được dùng để xác định khoảng giá trị tin cậy của dòng điện ngắn mạch nhằm phục vụ điều phối các relay bảo vệ kỹ thuật số Như vậy, phương pháp phân tích ngắn mạch cải tiến cho thấy sự hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác của kết quả phân tích bên cạnh việc giảm thiểu số lần thực hiện tính toán không cần thiết

- Thông qua những kết quả tính toán phân tích ngắn mạch dựa trên phương pháp phân tích ngắn mạch truyền thống đã được cải tiến, phương pháp chỉnh định thông số cài đặt của các relay bảo vệ kỹ thuật số đã được đề xuất và áp dụng cho LĐPP thông minh có tích hợp nguồn DG Ngay sau khi phương pháp FLISR hoàn tất chu trình thực hiện, các ngưỡng giá trị cài đặt ứng với từng chức năng bảo vệ F50P, F50G, F51P, F51G, F67P, F67G sẽ được cài đặt thông qua hệ thống SCADA/DMS Mặt khác, chức năng bảo vệ F46BC 4 sẽ được cài đặt bổ sung nhằm đảm bảo dòng điện sự cố đóng góp từ các nguồn DG vào LĐPP được nhanh chóng phát hiện

- Một mô hình thiết bị bảo vệ DDR cho LĐPP có tích hợp nguồn DG được tác giả đề xuất trên LĐPP cụ thể Các mô-đun phần mềm 5 được tích hợp và phối hợp hoạt động trong cùng một bộ vi xử lý điều khiển của thiết bị bảo vệ nhằm thỏa mãn các mục tiêu đề ra.

Giá trị thực tiễn

Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào thực tiễn vận hành tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp.HCM để hỗ trợ Điều độ viên trong việc nhanh chóng phát hiện, định vị, đề xuất phương án cách ly phân đoạn có sự cố và khôi phục cung cấp điện cho những phân đoạn bị ảnh hưởng bởi sự cố tại LĐPP Củ Chi và Duyên Hải Từ đó, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của các đơn vị quản lý lưới điện của khu vực này Quy mô của hai LĐPP này được thể hiện chi tiết tại Bảng 1.2

Bảng 1.2 Quy mô LĐPP được đề cập trong luận án

1 Số lượng MBT trung gian cấp nguồn (máy) 11 7

2 Số tuyến dây trung thế (tuyến) 41 23

4 Hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng các giá trị dòng điện thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch để phát hiện hiện tượng mất cân bằng dòng điện.

5 Mô-đun đo lường lấy mẫu dữ liệu theo thời gian thực, mô-đun bảo vệ chính, mô-đun bảo vệ phụ và mô-đun

5 Tổng số khách hàng (khách hàng) 160.015 30.377

6 Tổng số lượng nút (nút) 166 109

7 Tổng số thiết bị đóng cắt trên lưới điện (thiết bị) 312 453

Tương tự, các phương pháp và chương trình dự báo khoảng giá trị tin cậy của điện áp/dòng điện phụ tải, phân tích ngắn mạch và điều phối bảo vệ đang được triển khai tại Tổng công ty Điện lực Tp.HCM Kết quả của các phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong các chương sau của luận án nhằm làm rõ giá trị thực tiễn mang lại.

Cấu trúc của luận án

Nhằm đảm bảo tính mạch lạc, thứ tự sắp xếp hợp lý và nội dung của các vấn đề nghiên cứu được liên kết với nhau, luận án sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:

 Chương 1: Giới thiệu chung về mục tiêu, đối tượng nghiên cứu, nội dung được thực hiện trong luận án, các phương pháp thực hiện cũng như các kết quả đóng góp chính và giá trị thực tiễn mà luận án mang lại

 Chương 2: Tổng quan về hệ thống bảo vệ cho LĐPP có xem xét các nguồn DG/MG

 Chương 3: Phương pháp FLISR đề xuất dành cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG

 Chương 4: Phương pháp phân tích ngắn mạch cải tiến và phương pháp điều phối bảo vệ quá dòng dành cho LĐPP tích hợp nguồn DG/MG

 Chương 5: Đề xuất hệ thống bảo vệ cho LĐPP tích hợp nguồn DG/MG

Tóm lại, các nội dung liên quan đến việc lựa chọn vấn đề, phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu đã được trình bày tóm tắt tại các Mục từ 1.1 đến 1.4 Bốn đóng góp chính của luận án đã cho thấy những giá trị và tính khả thi khi áp dụng vào thực tiễn Về mặt cấu trúc, luận án được phân chia thành 6 chương, trong đó: Chương 1 giới thiệu tóm tắt về luận án, Chương 2 trình bày những vấn đề nằm trong nguồn tài liệu tham khảo có liên quan đến phạm vi nghiên cứu trước khi đề cập đến ưu, khuyết điểm và nhận định của tác giả Trong Chương 3 và Chương 4, tác giả lần lượt trình bày cơ sở lý thuyết, mô hình/phương pháp/giải pháp đã phát triển cùng với các kết quả mô phỏng/thực nghiệm minh chứng Tiếp theo, Chương 5 thể hiện những nội dung đề xuất liên quan đến hệ thống bảo vệ mới cho LĐPP có xem xét sự tích hợp các nguồn DG dựa trên các mô hình/phương pháp/giải pháp đã được phát triển Cuối cùng, các kết quả đạt được và hướng nghiên cứu phát triển sẽ được thể hiện chi tiết trong Chương 6 của luận án.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BẢO VỆ CHO LĐPP CÓ XÉT ĐẾN SỰ TÍCH HỢP NGUỒN DG/MG

Tổng quan về phương pháp FLISR cho LĐPP truyền thống

2.1.1 Giới thiệu về hệ thống quản lý và vận hành LĐPP

Hệ thống quản lý LĐPP đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển lưới điện nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng Theo tài liệu

[1], một hệ thống quản lý tiên tiến được đề xuất áp dụng trên LĐPP gồm ba ứng dụng sau: điều chỉnh điện áp, đáp ứng phụ tải (Demand Response) và FLISR Liên quan đến hệ thống bảo vệ LĐPP, phương pháp FLISR ưu tiên dò tìm chính xác phân đoạn có sự cố trước khi thực hiện các bước cách ly sự cố và tìm kiếm phương án khôi phục cung cấp điện Qua đó, các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện Tóm lại, quá trình khôi phục cung cấp điện của ứng dụng FLISR có thể xem xét dưới khía cạnh là một phần của đáp ứng phụ tải điện trên LĐPP

Hơn nữa, theo tài liệu [2], hệ thống quản lý LĐPP tập trung vào việc đáp ứng phụ tải và được phân loại thành hai hướng tiếp cận khác nhau: i) dựa vào chính sách khuyến khích và ii) dựa trên lợi ích kinh tế Đối với hướng tiếp cận đáp ứng phụ tải dựa vào chính sách khuyến khích, hệ thống quản lý LĐPP sẽ được phát triển tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể của phương pháp điều chỉnh, chẳng hạn như: phương pháp điều khiển phụ tải trực tiếp [3-4], sử dụng chính sách để tiết giảm tải đỉnh [5-6], ràng buộc thông qua hợp đồng mua bán điện [7-8], sử dụng chương trình đáp ứng phụ tải khẩn cấp [9-10], dựa vào việc giao dịch trên thị trường và cung cấp các dịch vụ phụ trợ [11] Đối với hướng tiếp cận đáp ứng phụ tải dựa trên lợi ích kinh tế, hệ thống LĐPP ưu tiên sử dụng dữ liệu về thời gian sử dụng điện ToU (Time of Use), giá điện theo thời gian thực và giá điện đỉnh để đề xuất các phương án điều chỉnh đáp ứng mục tiêu đề ra [12-15] Bảng

2.1 trình bày tóm tắt những ứng dụng của hệ thống quản lý LĐPP thông qua những công trình nghiên cứu trước đây bên cạnh những ưu điểm và giới hạn theo quan điểm nhận xét của tác giả

Bảng 2.1 Bảng tóm tắt nội dung những công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống quản lý LĐPP

Các nghiên cứu hiện nay

Tóm tắt nghiên cứu Ưu điểm Giới hạn

[1] Sử dụng hệ thống quản lý LĐPP để điều khiển điện áp, đáp ứng phụ tải và thực hiện phương pháp FLISR

 Dò tìm chính xác phân đoạn có sự cố;

 Ưu tiên khôi phục cung cấp điện cho phụ tải quan trọng

 Chưa xem xét đến các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành;

 Chưa đề cập đến nguồn DG;

 Chưa xem xét đến hệ thống bảo vệ sau khi thực thi FLISR [3-4] Điều khiển phụ tải trực tiếp

 Có thể tác động trực tiếp vào phụ tải để lập tức thay đổi hành vi của phụ tải

 Không khả thi khi triển khai thực tế;

 Phức tạp trong quá trình thương thảo hợp đồng với khách hàng

[5-6] Đáp ứng phụ tải dựa vào chính sách khuyến khích

 Không tác động trực tiếp vào phụ tải;

 Khả thi khi triển khai thực tế

 Phụ tải chậm thay đổi khi có yêu cầu tiết giảm;

 Phụ thuộc vào khách hàng

[7-8] Thông qua hợp đồng mua bán điện để điều chỉnh hành vi tiêu thụ của phụ tải

 Gián tiếp điều khiển phụ tải thông qua hợp đồng mua bán điện và những thỏa thuận trong hợp đồng;

 Không tác động trực tiếp vào phụ tải;

 Khả thi khi triển khai thực tế

 Phụ thuộc vào thỏa thuận cam kết trong hợp đồng giữa khách hàng với Điện lực

[9-10] Sử dụng chương trình đáp ứng phụ tải khẩn cấp

 Không tác động trực tiếp vào phụ tải;

 Khả thi khi triển khai thực tế

 Chi phí khuyến khích khách hàng tiết giảm/tiêu thụ điện cao;

 Chỉ tập trung vào khách hàng có lượng điện năng tiêu thụ lớn

[11] Giao dịch trên thị trường và cung cấp các dịch vụ phụ trợ

 Các đơn vị cung ứng điện chủ động làm việc với khách hàng;

 Độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng cao

 Khách hàng phải thường xuyên theo dõi thị trường;

 Chi phí cung cấp dịch vụ phụ trợ không thấp

[12-15] Đáp ứng phụ tải theo hướng tối đa hóa lợi ích kinh tế dựa vào thời gian sử dụng điện TOU (Time of

Use), giá điện theo thời gian thực và giá điện đỉnh

 Đồ thị phụ tải được san bằng;

 Lợi ích kinh tế của các đơn vị thực hiện đáp ứng phụ tải được sinh ra thông qua việc cân bằng đồ thị phụ tải

 Độ tin cậy cung cấp điện có thể bị ảnh hưởng khi mục tiêu lợi ích kinh tế được ưu tiên hàng đầu

Có thể thấy rằng, các công trình nghiên cứu về hệ thống quản lý LĐPP chủ yếu tập trung vào vấn đề quản lý và đáp ứng phụ tải Các phụ tải được giám sát chặt chẽ và được điều khiển hành vi thông qua hệ thống quản lý LĐPP tùy thuộc vào mục đích vận hành cụ thể Mặc dù các phương pháp DR thường định hướng sử dụng chính sách hoặc dựa trên lợi ích về mặt kinh tế nhưng vấn đề cốt lõi của phương pháp DR chính là đảm bảo phụ tải được cung cấp điện liên tục Như vậy, những sự cố trên LĐPP không chỉ gây gián đoạn cung cấp điện cho những phụ tải thuộc khu vực bị sự cố mà còn cho những phụ tải thuộc khu vực khác Theo đó, hệ thống quản lý LĐPP phải nhận biết được sự xuất hiện của sự cố nhằm kịp thời đưa ra giải pháp cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện Chính vì vậy, phương pháp FLISR sẽ được tác giả phát triển trong luận án này trên LĐPP khi không có nguồn DG và có nguồn DG thông qua việc tích hợp vào hệ thống SCADA/DMS – Hệ thống quản lý LĐPP

2.1.2 Những nghiên cứu hiện nay về phương pháp phát hiện sự cố, định vị và cách ly sự cố

Hiện nay, các phương pháp phát hiện và định vị vị trí sự cố thường tận dụng các tín hiệu truyền từ các thiết bị đầu cuối (FTU) bố trí dọc trên tuyến dây trung thế kết hợp với trạng thái vận hành thời gian thực của LĐPP như đã đề cập trong tài liệu [16-18]

Cụ thể, LĐPP được mô hình thành từng khu vực nhỏ để phân tích sự cố khi vận hành hình tia và liên kết vòng trong tài liệu [16] Phương pháp này tuy đơn giản nhưng gặp khuyết điểm trong việc định vị chính xác vị trí sự cố bên trong khu vực Ở tài liệu [17], các thiết bị chỉ báo sự cố (FI) được sử dụng để định vị vị trí sự cố Tài liệu [18] cho thấy các thiết bị FI được tích hợp vào trong thiết bị đóng cắt như LBS/Recloser nhằm phân chia LĐPP thành những phân đoạn nhỏ và hình thành nên một mô hình lưới điện có tính chất kết nối với nhau Dựa vào các tín hiệu chỉ thị và thông tin sự cố từ thiết bị LBS/recloser tích hợp FI, phân đoạn có sự cố được xác định Tuy nhiên, phương pháp đề xuất trong nghiên cứu này chưa đề cập đến vấn đề khôi phục cung cấp điện Mặt khác, độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào việc định nghĩa trước các phân đoạn trên một tuyến dây của LĐPP Nếu LĐPP có tính chất kết nối phức tạp, chẳng hạn như các tuyến dây vận hành liên kết vòng, tính hiệu quả của phương pháp này sẽ bị ảnh hưởng khi định vị vị trí sự cố

Mặt khác, trong tài liệu [19,20], một cách xác định vị trí sự cố hiệu quả được giới thiệu chính là dựa vào việc tính toán khoảng cách từ nguồn đến vị trí sự cố thông qua việc xác định giá trị tổng trở tương đương Tuy nhiên, phương pháp này có những khó khăn do phụ thuộc vào: i) giá trị tổng trở ngắn mạch và ii) số lượng nguồn bơm vào vị trí sự cố Công nghệ truyền sóng được trình bày trong tài liệu [21-23] cũng là một phương pháp định vị trí sự cố Độ chính xác của phương pháp này bị ảnh hưởng khi LĐPP có nhiều nhánh rẽ hoặc máy biến thế phân phối được trang bị tính năng tự động điều chỉnh nấc Trong tài liệu [24-26], các phương pháp dựa trên kỹ thuật mạng nơ-ron, logic mờ, chuyên gia, lai ghép được ứng dụng để xác định vùng sự cố Khi LĐPP thay đổi cấu trúc hoặc khi trị số chỉnh định của các thiết bị bảo vệ thay đổi, các phương pháp này sẽ bộc lộ khuyết điểm

Tài liệu [27] đề cập đến mô hình FLISR với hai tính năng gồm: i) quản lý LĐPP và ii) hỗ trợ đề xuất phương án xử lý khi sự cố xảy ra Nói một cách đơn giản, mô hình FLISR này hoàn toàn dựa vào khả năng tự động nhận diện trạng thái mất điện áp và tự động điều khiển theo thời gian định trước của các recloser [28] Một phương pháp tiếp cận FLISR khác là ứng dụng kỹ thuật truyền dữ liệu sự kiện có định hướng GOOSE (Generic Orient Object System Events) thông qua hạ tầng truyền dẫn [29] Những relay bảo vệ kỹ thuật số sẽ trao đổi thông tin sự cố lẫn nhau trên cùng một lớp mạng truyền dẫn Từ đó, chúng tự động thực hiện các bước định vị, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện nhờ vào giải thuật lập trình sẵn Tuy phương pháp này có ưu điểm là dữ liệu truyền nhận-thông tin ở tốc độ rất cao vì bỏ qua nhiều tầng cấp trong mô hình OSI (Open System Interconnection) nhưng sẽ gây khó khăn trong vấn đề bảo mật – an toàn thông tin Dựa vào những tín hiệu truyền từ FTU có chức năng FI, recloser và relay bảo vệ kỹ thuật số và sự kết hợp hệ thống quản lý LĐPP SCADA/DMS, tài liệu [30] trình bày một phương pháp tiếp cận FLISR hiệu quả Khi xảy ra sự cố trên lưới điện, các thiết bị trên thực hiện thu thập thông tin sự cố để cung cấp cho hệ thống SCADA/DMS Các thông tin này được kết hợp với kết quả tính toán trào lưu công suất nhằm hỗ trợ chương trình FLISR tìm kiếm các phương án cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện Sau đó, hệ thống SCADA/DMS truyền lệnh điều khiển đến FTU có chức năng FI, recloser và relay bảo vệ kỹ thuật số như: lệnh đóng/cắt, lệnh thay đổi trị số bảo vệ và lệnh giải trừ tín hiệu bảo vệ Tài liệu [31-32] giới thiệu về hệ thống xử lý đa nhiệm có thể hỗ trợ hiệu quả cho công tác quản lý vận hành LĐPP Hệ thống này chứa những mô-đun phần mềm đảm nhiệm từng khâu xử lý riêng biệt như khâu điều khiển khẩn cấp và khâu điều khiển khôi phục Cụ thể hơn, khâu điều khiển khẩn cấp thực thi những lệnh cách ly khi sự cố xuất hiện Sau đó, các dữ liệu trạng thái vận hành mới nhất được cập nhật và sử dụng để gợi ý phương án khôi phục cung cấp điện trong khâu điều khiển khôi phục Như là kết luận,

Bảng 2.2 trình bày tóm tắt những công trình nghiên cứu liên quan đến các phương pháp phát hiện, định vị, cách ly sự cố trên LĐPP bên cạnh những ưu điểm và giới hạn theo quan điểm nhận xét của tác giả

Bảng 2.2 Bảng tóm tắt nội dung những công trình nghiên cứu liên quan đến các phương pháp phát hiện, định vị và cách ly sự cố trên LĐPP

Các nghiên cứu hiện nay

Tóm tắt nghiên cứu Ưu điểm Giới hạn

[16-18] Phát hiện và định vị sự cố thông qua các bộ chỉ báo sự cố, các tín hiệu bảo vệ từ các thiết bị recloser, relay bảo vệ kỹ thuật số

 Sự cố nhanh chóng được phát hiện;

 Phân đoạn có sự cố được định vị chính xác

 Chưa được tích hợp thành một hệ thống dùng chung;

 Chưa chỉ ra chính xác vị trí xảy ra sự cố

[19-20] Định vị vị trí sự cố thông qua mô hình tổng trở tương đương

 Vị trí sự cố có thể được chỉ ra một cách tương đối chính xác

 Tổng trở ngắn mạch phụ thuộc vào dạng sự cố và gây ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán khoảng cách;

 Số lượng nguồn, đặc tính vận hành của nguồn DG sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích

[21-23] Sử dụng công nghệ sóng (Travelling Wave) để định vị vị trí sự cố

 Vị trí sự cố được chỉ ra chính xác

 Thiết bị sử dụng công nghệ sóng có giá thành lớn;

 Không phù hợp cho LĐPP có nhiều nhánh rẽ

[24-26] Định vị vùng sự cố sử dụng kỹ thuật mạng nơ- ron, fuzzy logic, chuyên gia, kỹ thuật lai

 Vị trí sự cố có thể được chỉ ra một cách tương đối chính xác

 Kết quả phân tích phụ thuộc vào số liệu đầu vào;

 Tổng trở ngắn mạch phụ thuộc vào dạng sự cố và gây ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán khoảng cách;

 Số lượng nguồn, đặc tính vận hành của nguồn DG sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích

[27-28] Phát hiện sự cố dựa trên hiện tượng mất điện áp kết hợp với những lập trình logic trong recloser

 Nhanh chóng phát hiện sự cố và khôi phục cung cấp điện

 Giải pháp mang tính cục bộ;

 Các hiện tượng dao động điện áp có thể gây nhiễu trong việc phát hiện sự cố

GOOSE của giao thức IEC 61850 để phát hiện, định vị, cách ly sự cố trước khi thực thi khôi phục cung cấp điện

 Sự cố được nhanh chóng phát hiện và thông tin đến các thiết bị khác;

 Thực hiện đầy đủ các bước FLISR để cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện

 Chi phí đầu tư thiết bị cao;

 Áp dụng cho LĐPP quy mô nhỏ với những tuyến dây được thiết kế để dự phòng cho nhau;

 Chi phí đầu tư hạ tầng, giải pháp bảo mật – an toàn thông tin cao [31-32] Sử dụng hệ thống xử lý đa nhiệm để thực hiện cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện

 Tốc độ xử lý giải thuật cao do được phân chia cụ thể nhiệm vụ

 Chưa xem xét đến vấn đề điều phối bảo vệ cho LĐPP sau khi hoàn tất chu trình khôi phục cung cấp điện;

 Chưa xem xét đến sự xuất hiện của nguồn

Như đã phân tích trên, các tài liệu chỉ nghiên cứu riêng lẻ về việc phát hiện sự cố hoặc định vị sự cố hoặc cách ly sự cố mà chưa tổng hợp thành một phương pháp tổng thể hoàn chỉnh Khi sự cố xuất hiện trên LĐPP, vấn đề phát hiện và định vị vị trí sự cố đóng vai trò quan trọng nhằm hỗ trợ cho công tác khắc phục hậu quả của sự cố Một cách đơn giản, sự cố có thể được phát hiện nhanh chóng thông qua các tín hiệu thời gian thực (như tín hiệu bảo vệ tác động từ relay bảo vệ kỹ thuật số/recloser, tín hiệu cảnh báo sự cố và tín hiệu cảnh báo mất điện áp từ FTU có chức năng FI) truyền từ các thiết bị bố trí trên LĐPP đến hệ thống quản lý LĐPP Sau đó, việc quản lý tập trung những tín hiệu này sẽ hỗ trợ hiệu quả cho việc định vị chính xác phân đoạn có sự cố trước khi phương án cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện được đề xuất Như là một đóng góp mới, luận án này đề cập đến việc sử dụng các tín hiệu thời gian thực của các relay bảo vệ kỹ thuật số/FTU có chức năng FI/recloser để phát hiện sự cố Việc định vị vị trí sự cố sẽ được xác định bằng cách kiểm tra tín hiệu cảnh báo sự cố/tín hiệu bảo vệ tác động giữa các thiết bị liền kề nhau và tín hiệu cảnh báo mất điện áp Cuối cùng, phương án cách ly sự cố sẽ được đề xuất cùng với phương án khôi phục cung cấp điện nhằm đảm bảo số bước xử lý sự cố được giảm thiểu tối đa

2.1.3 Những nghiên cứu hiện nay về phương pháp khôi phục cung cấp điện

Tài liệu [33-38] trình bày nhiều khái niệm, quan điểm và nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực tự động hóa trong việc khôi phục cung cấp điện Trong tài liệu [34-36], một phương pháp tự động hóa FLISR sử dụng hệ thống MAS (Multi-Agent System) phân tán đã được đề xuất áp dụng trên LĐPP nhằm giải quyết vấn đề khôi phục tối đa lượng điện năng bị mất Cụ thể, hệ thống MAS phân tán phân chia LĐPP thành từng khu vực nhỏ để quản lý; theo đó, thời gian xử lý giải thuật được rút ngắn Bên cạnh đó, việc phối hợp vận hành giữa các hệ thống MAS phân tán cho thấy sự linh hoạt và thích nghi với LĐPP có cấu trúc phức tạp Một chu trình thực hiện của chương trình FLISR gồm: giai đoạn 1 – Phát hiện, định vị và cô lập sự cố và giai đoạn 2 – khôi phục cung cấp điện như đã nêu trong tài liệu [37] Trong tài liệu [38], một hệ thống tự động hóa lưới phân phối DAS (Distribution Automation System) có sử dụng chương trình FLISR đã được phát triển và ứng dụng hiệu quả Theo đó, hệ thống này thường xuyên theo dõi trạng thái vận hành của lưới điện theo thời gian thực như trạng thái đóng/mở của những thiết bị đóng cắt, giá trị dòng điện vận hành/sự cố, giá trị điện áp vận hành/sự cố và trạng thái bảo vệ khởi động/tác động hoặc trạng thái cảnh báo của các relay bảo vệ kỹ thuật số/recloser/FTU có chức năng FI Khi thực hiện bước cách ly sự cố, chương trình FLISR phân tích thông tin sự cố nhằm khoanh vùng phân đoạn có sự cố và tìm kiếm các thiết bị đóng cắt gần nhất để điều khiển cách ly nguồn từ hai phía Tiếp theo, các tuyến dây lân cận được đánh giá khả năng mang tải trước khi chương trình đánh giá, đề xuất phương án khôi phục cung cấp điện Tại bước đề xuất phương án khôi phục cung cấp điện, các tác giả đã đặt mục tiêu là khôi phục tối đa lượng công suất bị mất nhằm đảm bảo phương án đề xuất hiệu quả về mặt kinh tế Thông qua một vài trình tự thao tác đóng/cắt đơn giản, những tuyến dây lân cận đã khôi phục cung cấp điện cho những phụ tải trên tuyến dây bị sự cố [39]

Tóm lại, từ những nhận định trên, tác giả nhận thấy rằng việc phát triển giải thuật FLISR phải đặt trọng tâm vào việc giảm thiểu thời gian thực hiện của chu trình FLISR song song với vấn đề nâng cao độ tin cậy cung cấp điện mà vẫn đảm bảo các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành Theo đó, việc giảm thiểu số lượng bước thao tác, việc đảm bảo dòng công suất và điện áp vận hành của những phương án chuyển tải không vượt ngưỡng cho phép, việc khôi phục tối đa phụ tải, việc xem xét tổn thất điện năng, việc đánh giá hệ thống bảo vệ sau khi thực thi phương án FLISR sẽ được tác giả lần lượt nghiên cứu để phát triển giải thuật FLISR cho LĐPP trong luận án này

Tổng quan về phương pháp FLISR cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG

2.2.1 Phân biệt LĐPP có DG và lưới điện Microgrid

Khái niệm về lưới điện có chứa nguồn DG được hình thành và phân chia thành hai loại: LĐPP tích hợp nguồn DG (viết tắt là LĐPP có DG) và lưới điện Microgrid (viết tắt là MG) Để phân biệt LĐPP có DG và MG, tác giả sẽ trình bày những điểm giống nhau và khác nhau thông qua Bảng 2.4

Bảng 2.4 Những đặc điểm chính của LĐPP có DG và MG Đặc điểm LĐPP có DG MG Điểm giống nhau

 Có thể tích hợp nguồn DG dạng RBDG và IBDG;

 Sự xuất hiện của DG làm xuất hiện 02 đặc tính vận hành là P2P và P&P;

 Hỗ trợ phụ tải thông qua những ứng dụng nâng cao/cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng;

 Gián tiếp giảm việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch Điểm khác nhau

1 Áp dụng cho LĐPP cấp điện áp trung thế;

2 Công suất lắp đặt lớn (hàng

MW) để phục vụ cho phụ tải toàn tuyến trung thế;

3 Công nghệ DG thường dùng:

PVS, WTS, BESS hoặc tổ hợp máy phát điện công suất lớn;

FLISR, ổn định công suất phát của PVS và điều khiển điện áp/tần số

1 Áp dụng cho LĐPP cấp điện áp hạ thế;

2 Công suất lắp đặt phù hợp với phụ tải bên trong MG (thường nhỏ hơn

3 Công nghệ DG thường dùng: PVS, WTS, BESS hoặc máy phát điện công suất nhỏ (máy phát diesel, tua-bin gas);

4 Những ứng dụng chính: hoạt động tách lưới (islanded mode), ổn định công suất nguồn phát dạng năng lượng tái tạo, điều khiển điện áp/tần số lưới, chuyển dịch phụ tải và tiết giảm phụ tải đỉnh

Từ Bảng 2.4, có thể thấy rằng, những điểm khác nhau giữa LĐPP có DG và MG xuất phát từ quy mô của phụ tải Tùy thuộc vào nhu cầu của phụ tải, công suất lắp đặt, loại công nghệ nguồn DG và ứng dụng vận hành sẽ được thiết kế và triển khai cho LĐPP có DG hoặc MG Do LĐPP Tp.HCM được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án này, tác giả sẽ tập trung vào những công nghệ nguồn sau: PVS, BESS (loại nguồn IBDG) và hệ thống máy phát điện công suất lớn (loại nguồn RBDG) bởi vì tính phổ biến và khả thi khi triển khai

2.2.2 Lưới điện Microgrid có tích hợp nguồn PVS-BESS điển hình

Công nghệ phát điện dựa vào việc chuyển đổi quang năng thành điện năng (Photovoltaic) đã xuất hiện từ nhiều năm trước đây, cụ thể là ứng dụng vào các vệ tinh không gian Mỗi tấm pin quang điện PV vận hành bằng cách sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản sinh ra điện áp một chiều DC tại đầu cực Lượng công suất phát ra phụ thuộc vào lượng bức xạ nhiệt đến từ mặt trời và thiết kế của những tế bào pin trên tấm pin PV Hệ thống PVS được hình thành bằng cách sử dụng nhiều tấm pin PV lắp ghép lại với nhau trên một giá đỡ cố định hoặc trên một trục xoay để có thể hấp thụ tối đa lượng bức xạ nhiệt từ mặt trời Để bơm vào LĐPP, những tấm pin PV phải thông qua bộ inverter để biến đổi công suất DC thành công suất AC Ưu điểm của hệ thống PVS trên LĐPP không chỉ nằm ở việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo mà còn có độ bền cao, hoạt động không gây tiếng ồn và hạn chế phát thải khí CO2 Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của loại công nghệ nguồn phát này chính là công suất phát ngõ ra phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Chính vì vậy, việc kết hợp triển khai với hệ thống BESS là giải pháp thích hợp để khắc phục nhược điểm của hệ thống PVS

Công nghệ tích trữ năng lượng vào pin ngày càng phát triển và được cải thiện hiệu suất hoạt động đáng kể Nếu như trước đây công nghệ pin tích trữ thường thấy trong những bộ nguồn UPS thì ngày nay, chúng đã được nâng cấp thành hệ thống BESS

Hệ thống này là tổ hợp của hai thành phần chính gồm: i) mô-đun pin tích trữ năng lượng và ii) các bộ chuyển đổi công suất Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể và vị trí lắp đặt, hệ thống BESS sẽ được thiết kế với quy mô và kích thước tương ứng Như vậy, sự tích hợp hệ thống BESS vào MG là cần thiết nhằm ổn định công suất ngõ ra của nguồn năng lượng tái tạo như nguồn PV Hơn thế nữa, hệ thống BESS có thể được sử dụng để tích hợp vào LĐPP để hoạt động như một nguồn phụ trợ khi LĐPP gặp sự cố

Có thể thấy rằng, cấu trúc điển hình của Microgrid gồm những nguồn năng lượng tái tạo (thường là PVS), hệ thống lưu trữ năng lượng (thường là BESS), các loại phụ tải, những thiết bị bảo vệ và thiết bị đo lường Theo tài liệu [47], MG có hai đặc tính vận hành là P2P và P&P Khi hoạt động ở chế độ nối lưới, MG sẽ đóng vai trò giống như một nút P/Q – nghĩa là, MG hoạt động trao đổi công suất với LĐPP và sử dụng điện áp lưới làm giá trị tham chiếu Khi hoạt động ở chế độ tách lưới [48], MG sẽ tận dụng những nguồn phát có thể đóng vai trò là nút PV để cung cấp điện cho phụ tải trong khu vực

Hình 2.1 Mô hình quản lý vận hành LĐPP có nguồn DG/MG

Các nguồn DG riêng lẻ hoặc MG đều có khả năng kết nối LĐPP nhằm hỗ trợ công suất cho phụ tải trên lưới điện này thông qua những chế độ vận hành linh hoạt (P2P và P&P) Tuy nhiên, việc quản lý và vận hành DG/MG cần có một hệ thống SCADA/DMS nhằm phân tích, tính toán và điều phối dòng công suất giữa các nguồn DG/MG trên LĐPP Theo nghiên cứu [49], mô hình quản lý vận hành LĐPP có nguồn DG/MG bao gồm: một hệ thống SCADA/DMS, một hệ thống MGCC (Microgrid Control Center) liên kết với những thiết bị đo lường thông minh AMI có chức năng LC (Load Controller) và các thiết bị FTU có chức năng MC (Microgrid Controller), như

Hình 2.1 Như vậy, dữ liệu từ các thiết bị AMI và FTU sẽ được trao đổi thường xuyên với hệ thống MGCC trước khi được cập nhật đến hệ thống SCADA/DMS Tương ứng với từng sự kiện xảy ra trên LĐPP có DG/MG, hệ thống SCADA/DMS sẽ thiết lập các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành với hệ thống MGCC Căn cứ trên các điều kiện ràng buộc từ hệ thống SCADA/DMS, hệ thống MGCC sẽ chủ động tính toán và điều phối dòng công suất giữa nguồn DG/MG trên LĐPP Tiếp theo, các thiết bị AMI có chức năng LC và các thiết bị FTU có chức năng MC sẽ nhận lệnh điều khiển từ hệ thống MGCC để điều phối công suất của phụ tải cũng như nguồn phát DG/MG Khi sự kiện mới xuất hiện trên LĐPP có DG/MG, hệ thống SCADA/DMS, hệ thống MGCC và các thiết bị AMI, FTU sẽ lặp lại chu trình thực hiện nêu trên

Tóm lại, LĐPP đề cập trong luận án này sẽ được tích hợp cả nguồn DG và MG khi thực hiện những mô phỏng liên quan đến phương pháp FLISR, phương pháp phân tích ngắn mạch cải tiến và phương pháp điều phối hệ thống bảo vệ Cụ thể, nguồn DG và MG sẽ gián tiếp thực thi các điều kiện ràng buộc do hệ thống SCADA/DMS đặt ra thông qua các hệ thống MGCC, AMI và FTU Hơn nữa, tác giả đã lựa chọn công nghệ nguồn PVS, BESS (loại nguồn IBDG) và hệ thống máy phát điện công suất lớn (loại nguồn RBDG) để tích hợp vào LĐPP Công suất lắp đặt của những nguồn DG này được tác giả lựa chọn không chỉ để đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải cục bộ trong nhiều giờ mà còn có thể hỗ trợ khôi phục cung cấp điện cho LĐPP trong ít nhất một giờ

2.2.3 Sự ảnh hưởng của nguồn DG đến hoạt động của LĐPP

2.2.3.1 Trong vấn đề phát hiện, định vị và cách ly sự cố

Hiện nay, những relay bảo vệ kỹ thuật số trên LĐPP được ứng dụng để phát hiện sự cố Thông qua việc tích hợp các giải thuật phát hiện sự cố vào trong chương trình/phần mềm nạp cho bộ vi xử lý của các relay này, dữ liệu dòng điện sự cố được ghi nhận Những giải thuật phát hiện sự cố hiện nay có thể phân biệt được hiện tượng sự cố hoặc hiện tượng nhiễu động xuất hiện trên LĐPP Bên cạnh đó, chúng còn được phát triển để đáp ứng những yêu cầu về thời gian xử lý nhanh nhằm ngăn chặn kịp thời dòng điện sự cố đổ về vị trí ngắn mạch Tài liệu [50] đề xuất sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet rời rạc để phân tích sự cố Thông qua quá trình phân tích hệ số năng lượng của dòng điện sự cố, sự cố trên LĐPP sẽ được phát hiện Trong tài liệu [51], tín hiệu dòng điện sự cố được phân tích và biến đổi thành từng bộ dữ liệu mang đặc trưng khác nhau Theo đó, các giá trị dòng điện vượt ngưỡng vận hành có thể được cài đặt để phát hiện sự cố Các tác giả trong nghiên cứu [52] trình bày về một phương pháp Wavelet mới dựa trên kỹ thuật phát hiện và phân loại sự cố Theo đó, những giá trị dữ liệu dòng điện được so sánh với giá trị ngưỡng cài đặt trước đó Nếu giá trị dòng điện ở bất kỳ pha nào vượt ngưỡng tối thiểu đã cài đặt trước, sự cố được xác nhận là đã xảy ra trên LĐPP Nghiên cứu [53] giới thiệu về một phương pháp mới để phát hiện và định vị vị trí sự cố nhanh chóng dựa vào dữ liệu điện áp và dòng điện thứ tự nghịch Giá trị điện áp và dòng điện thứ tự nghịch vô cùng nhạy khi áp dụng để phát hiện sự cố xảy ra hoặc hiện tượng ngắt kết nối trên LĐPP ba pha đối xứng/không đối xứng Tuy nhiên, khi áp dụng trên LĐPP ba pha không đối xứng, chẳng hạn như LĐPP có tích hợp nguồn DG, hàng hoạt vấn đề lớn xuất hiện nếu sử dụng điện áp và dòng điện thứ tự nghịch để phát hiện và định vị sự cố bởi vì những nguyên nhân xuất phát từ tổng trở không cân bằng trong hệ thống và phụ tải không cân bằng giữa từng pha Như đề cập trong nghiên cứu [54], các tác giả đã đề xuất sử dụng những đặc tính của điện áp để phát hiện sự cố thay vì sử dụng giá trị biên độ dòng điện trên LĐPP Theo đó, các tác giả đã dùng hai thiết bị đo đếm để thu thập dữ liệu điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch trước khi so sánh với giá trị tham chiếu Nếu nhận thấy khác biệt giữa giá trị đo đếm và giá trị tham chiếu, hệ thống xác định có sự cố xuất hiện trên LĐPP Có thể thấy rằng, tuy có nhiều phương pháp khác nhau để phát hiện sự cố nhưng hầu hết những phương pháp trên đều dựa vào những relay bảo vệ kỹ thuật số lắp đặt trên LĐPP có DG/MG để quan sát và phát hiện các hiện tượng sự cố thông qua việc phân tích và so sánh giá trị thu thập với giá trị ngưỡng cài đặt

Mục đích của việc định vị sự cố trên LĐPP gồm: i) định vị để cách ly phân đoạn sự cố và ii) định vị để xử lý sự cố trên phân đoạn sự cố Việc cách ly phân đoạn sự cố được thực hiện bởi các thiết bị bảo vệ chẳng hạn như cầu chì, recloser và các relay bảo vệ kỹ thuật số Đối với LĐPP truyền thống, hệ thống bảo vệ được thiết kế để hoạt động trên một LĐPP có cấu trúc hình tia với giả sử rằng nguồn điện xuất phát từ một điểm [55-56] Tuy nhiên, khi các nguồn DG/MG tích hợp vào LĐPP, hệ thống bảo vệ sẽ đối mặt với những thách thức do nguồn điện không còn xuất phát từ một điểm Tài liệu [57] trình bày những ví dụ đơn giản về sự thay đổi của dòng điện sự cố đi qua những thiết bị bảo vệ khi LĐPP có sự hiện diện của nguồn DG/MG Theo đó, tác giả kiến nghị rằng việc kiểm tra tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ cần phải thực hiện mỗi khi xuất hiện một nguồn DG/MG tích hợp vào LĐPP, bởi vì độ tin cậy hoạt động của những chức năng bảo vệ truyền thống có thể bị ảnh hưởng bởi nguồn DG/MG Theo nghiên cứu [58-

60], nếu như ngắt hết tất cả nguồn DG/MG khi LĐPP có xảy ra sự cố thì độ tin cậy cung cấp điện của LĐPP sẽ giảm bởi vì phần lớn sự cố xảy ra trên LĐPP chủ yếu là sự cố thoáng qua Nghiên cứu [61] trình bày về một kỹ thuật định vị sự cố cho LĐPP có tích hợp nguồn DG Những phân đoạn hình tia lần lượt được giám sát và điều khiển bởi các relay bảo vệ và máy cắt Khi nguồn DG nằm phía sau sự cố, nếu công suất lắp đặt của nguồn DG này lớn hơn một giá trị nhất định thì relay bảo vệ sẽ hoạt động sai nếu thời gian phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ không được đảm bảo lớn 0,3 giây Ngược lại, khi nguồn DG nằm phía trước sự cố, relay bảo vệ vẫn có thể hoạt động sai khi lượng công suất lắp đặt của nguồn DG không đủ Điểm giới hạn trong phương pháp định vị sự cố này là không xem xét đến những nhánh rẽ được bảo vệ bằng cầu chì Theo nghiên cứu

[62], sự tích hợp của nguồn DG vào LĐPP có thể làm sai lệch kết quả phân tích khoảng cách sự cố và làm giảm biên độ giữa dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất với dòng điện phụ tải lớn nhất

Tiếp theo, nghiên cứu [63] đã đề nghị sử dụng một giải thuật định vị sự cố mới dựa trên sự chênh lệch về giá trị biên độ dòng điện sự cố giữa từng khu vực của tuyến dây trung thế Giải thuật sử dụng trực tiếp độ lệch của dòng điện ngắn mạch giữa nguồn lưới và nguồn DG để phát hiện và định vị sự cố Ứng dụng lý thuyết hình học để định vị sự cố được đề cập trong tài liệu [64] Mặc dù đây là phương pháp mới nhưng vị trí sự cố chưa được định vị một cách chính xác Nghiên cứu [65] trình bày về mô hình định vị sự cố dựa trên trở kháng thứ tự thuận Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả nghiên cứu có thể không cao bởi vì các tác giả đã bỏ qua yếu tố bất đối xứng của LĐPP và tính hỗ cảm giữa các pha trên đường dây Các tác giả trong nghiên cứu [66] mô tả một phương pháp tính toán tổng trở tương đương hiệu chỉnh Theo đó, tổng trở tương đương được xác định bằng tỉ số của điện áp và dòng điện đã được lựa chọn dựa trên dạng sự cố và pha sự cố Khi phát hiện hiện tượng nhiễu động trên LĐPP, những giá trị đại lượng pha của điện áp và dòng điện sẽ được thu thập Quá trình thay đổi của biên độ dòng điện được dùng để phân loại dạng sự cố và pha sự cố Tuy nhiên, nghiên cứu này không thể ứng dụng vào LĐPP có nhiều nhánh rẽ hoặc LĐPP có tích hợp nhiều nguồn DG/MG Để làm rõ hơn những vấn đề phát hiện, định vị và cách ly sự cố trên LĐPP có tích hợp DG/MG, tác giả đã trình bày những nội dung tóm tắt được trích lọc từ các công trình nghiên cứu có liên quan trong Bảng 2.5 nhằm bổ sung thêm cho Bảng 2.2 của chương này

Tổng quan về những phương pháp phân tích ngắn mạch cho LĐPP có tích hợp nguồn

Ngay sau khi FLISR hoàn tất chu trình thực hiện, phân đoạn sự cố đã được cách ly và phụ tải đã được khôi phục cung cấp điện Tuy nhiên, hệ thống bảo vệ trên LĐPP đã thay đổi do có sự tham gia của nguồn DG Điều này dẫn đến tính phối hợp hoạt động giữa những relay bảo vệ không còn đảm bảo và có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng như tác động nhầm, tác động vượt cấp và không chọn lọc [75-114] Do đó, tác giả nhận thấy rằng độ chính xác của các kết quả phân tích ngắn mạch có vai trò quan trọng, vì đây là cơ sở để phát triển những phương pháp điều phối bảo vệ khi cấu trúc LĐPP đã thay đổi Trong mục này, tác giả đánh giá tổng quan các phương pháp phân tích ngắn mạch được phát triển cho LĐPP có tích hợp nguồn DG

Nghiên cứu [75] đề cập một phương pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động phục vụ cho hệ thống bảo vệ của MG trong chế độ vận hành hòa lưới Cụ thể, tác giả đã đề xuất những phương trình tính toán để xác định giá trị dòng điện ngắn mạch đóng góp từ các nguồn IBDG và RBDG một cách chính xác và nhanh chóng Phương pháp phân tích ngắn mạch này được kết hợp với hạ tầng truyền dẫn thông tin để thu thập trạng thái kết nối/ngắt kết nối của nguồn lưới và nguồn DG Tiếp theo, kết quả của phương pháp phân tích ngắn mạch được dùng để điều chỉnh ngưỡng tác động cắt của các thiết bị bảo vệ quá dòng trong MG khi vận hành nối lưới Tuy nhiên, giá trị điện áp phục vụ phân tích ngắn mạch được tác giả giả định bằng với giá trị điện áp danh định, vốn phù hợp với đặc tính vận hành của MG Hơn nữa, khi áp dụng phương pháp này vào LĐPP 22kV, giá trị điện áp danh định phục vụ cho việc phân tích ngắn mạch có thể không mang lại kết quả có độ chính xác cao Nghiên cứu [76] trình bày một phương pháp phân tích ngắn mạch cho những sự cố bất đối xứng dựa trên hai ma trận thể hiện tính chất kết nối của lưới điện MG, nhằm xác định trực tiếp dòng điện sự cố chạy trên nhánh và điện áp sự cố tại các nút, có xem xét đến sự hiện diện của nguồn DG trong hai chế độ vận hành nối lưới và tách lưới Kết quả của phương pháp này cho thấy sự hiệu quả, chính xác và dễ lập trình nhưng các tác giả không đề cập đến vấn đề tính toán ngắn mạch cho dạng sự cố ba pha Bên cạnh đó, lưới điện được sử dụng để mô phỏng tương đối đơn giản với số lượng nút ít nên chưa thể đánh giá được hiệu quả hoạt động nếu triển khai áp dụng trên LĐPP 22kV có cấu trúc phức tạp

Nghiên cứu [77] chỉ tập trung vào việc phân tích dòng ngắn mạch của nguồn IBDG với mô hình điều khiển dòng và hỗ trợ công suất phản kháng trong quá trình LVRT (Low Voltage Ride Through – Vượt qua ngưỡng điện áp thấp) khi vận hành nối lưới Tuy nhiên, tính chính xác của phương pháp chỉ được chứng minh qua các kết quả mô phỏng, dẫn đến việc triển khai thực tế thiếu tính khả thi Trong tài liệu [78], nhóm tác giả trình bày một phương pháp phân tích ngắn mạch dựa trên mô hình toán học cổ điển ở ba trạng thái siêu quá độ, quá độ và xác lập Bài báo này tập trung chủ yếu vào việc phân tích phản ứng của nguồn IBDG khi sự cố xảy ra và phương pháp xác định giá trị dòng ngắn mạch đóng góp từ nguồn IBDG vào sự cố Đây là phương pháp được xây dựng, mở rộng dựa trên phương pháp phân tích ngắn mạch truyền thống có xem xét thêm nguồn phát IBDG Nghiên cứu [79] sử dụng nguồn IBDG có khả năng hoạt động như một nguồn áp nhờ bộ chuyển đổi VSC (Voltage Source Converter) và có thể bơm dòng điện thứ tự thuận và thứ tự nghịch vào trong MG khi xảy ra sự cố bất đối xứng Tuy nhiên, nghiên cứu này không đề cập đến những đặc trưng vận hành P2P và P&P của các nguồn DG, vốn gây ảnh hưởng đến giá trị dòng sự cố xuất hiện trên lưới điện Hơn thế nữa, tính khả thi trong việc áp dụng vào LĐPP 22kV chưa được khẳng định do mô hình mô phỏng và thực tế được triển khai với quy mô nhỏ và số lượng nguồn DG ít

Tài liệu [80] đề xuất một phương pháp phân tích dòng điện ngắn mạch ứng với từng sự cố chạm đất dành cho lưới điện MG Chi tiết hơn, giải thuật này dựa vào hai ma trận B I – ma trận đại diện cho mối liên hệ giữa dòng điện bơm vào nút và dòng điện chạy trên nhánh, và Z V-BC – ma trận đại diện cho mối liên hệ giữa dòng điện chạy trên nhánh và điện áp tại các nút, kết hợp với nhau để tạo thành một phương pháp trực tiếp giải các bài toán trào lưu công suất Sau đó, việc phân tích ngắn mạch được tiếp tục thực hiện thông qua một ma trận Z f giả lập có xem xét các điều kiện ràng buộc và kết quả tính toán ở mỗi bước lặp Tuy nhiên, nghiên cứu này lại không xem xét đến dạng ngắn mạch ba pha chạm đất hoặc ba pha chạm nhau hoặc dạng ngắn mạch hai pha chạm nhau vốn cũng có thể xảy ra trên LĐPP Một phương pháp phân tích ngắn mạch IMICV (Inverter Matrix Impedance Current Vector) được đề xuất trong tài liệu [81,82] nhằm xác định dòng điện, điện áp tại điểm sự cố và tại các nút có tích hợp nguồn IBDG Tuy nhiên, những đặc tính sự cố của các dạng nguồn RBDG có thể khiến cho phương pháp phân tích ngắn mạch này chưa phù hợp khi áp dụng trên LĐPP có tích hợp cả hai dạng nguồn IBDG và RBDG Tài liệu [83,84] đề cập đến mô hình sự cố của nguồn IBDG trong lưới điện MG, cụ thể là mô hình IBDG hoạt động với hai chế độ điều khiển là: i) điều khiển P/Q và ii) điều khiển V/f Chi tiết hơn, hai nghiên cứu đã giới thiệu phương pháp điều chỉnh thông số đầu vào của mô hình sự cố để phản ánh đúng nhất đặc tính sự cố của nguồn IBDG khi hoạt động với chế độ điều khiển P/Q Bên cạnh đó, các nghiên cứu trên cũng cho thấy nguồn IBDG có thể điều khiển điện áp để duy trì ở mức cho phép trong khi vẫn hạn chế được dòng công suất ngõ ra Mặc dù vậy, nghiên cứu này được giới hạn để áp dụng trên

MG với đối tượng mô phỏng là nguồn IBDG Vì vậy, việc mở rộng thêm đối tượng nghiên cứu, chẳng hạn như nguồn RBDG và nguồn lưới, để có thể áp dụng trên LĐPP 22kV là cần thiết

Trong tài liệu [85], nhóm tác giả dựa trên những giải thuật điều khiển và khả năng hạn dòng của các thiết bị IBDG để đề xuất một mô hình quy đổi tuyến tính tương đương Theo đó, giá trị nguồn và tổng trở có thể được biểu diễn bằng một hàm số của thông số phần cứng và bộ điều khiển Khả năng hạn dòng ở ngõ ra và vị trí bố trí nguồn DG trên LĐPP được dùng để đề xuất mô hình phân tích ngắn mạch có tính toán trào lưu công suất Tương tự như tài liệu [78,83,84,86-88], nguồn IBDG và các đặc trưng vận hành trong chế độ hòa lưới được xem xét trong nghiên cứu này Nghiên cứu [88] đã đề cập đến việc mô hình hóa LĐPP có tích hợp nguồn IBDG bằng mô hình ZIP khi hoạt động cấp nguồn cho cả hai loại phụ tải điện gồm: tải không đổi và tải phụ thuộc vào điện áp Sau đó, giá trị dòng điện ngắn mạch đóng góp từ nguồn IBDG sẽ được tính toán cho LĐPP có cấu trúc hình tia và cấu trúc liên kết vòng giản đơn Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa xem xét đến sự tham gia của nguồn RBDG, vốn cũng đóng góp dòng điện sự cố đáng kể nếu không được cách ly kịp thời Nghiên cứu [89] đã trình bày về phản ứng của nguồn IBDG trong quá trình xảy ra sự cố nhằm đề xuất một mô hình phân tích ngắn mạch tự thích nghi dựa trên kỹ thuật tính toán Newton-Raphson để tìm ra giá trị dòng điện ngắn mạch cho LĐPP có tích hợp nguồn IBDG Theo nghiên cứu [90], một kỹ thuật phân tích ngắn mạch khác được đề xuất áp dụng trên LĐPP tích hợp nguồn DG Theo đó, các tác giả đã tận dụng những nội dung trong phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn IEC

60909 để phát triển giải thuật tính toán cho các cấp độ sự cố khác nhau Nghiên cứu [91] trình bày một phương pháp tính toán dòng điện ngắn mạch dựa trên việc tính toán độ nhạy điện áp nhờ vào việc thành lập ma trận ABCD của các thành phần lưới điện có xem xét đến sự tham gia của các bộ điều khiển nấc điện áp bố trí dọc trên tuyến dây Theo đó, phương pháp đề xuất của nhóm tác giả có thể áp dụng cho tất cả các dạng sự cố Tuy nhiên, một điểm bất hợp lý của phương pháp này chính là việc giá trị điện áp sẽ được cập nhật liên tục để tính toán dòng ngắn mạch sau mỗi bước phân tích trào lưu công suất và đòi hỏi máy tính chủ phải hoạt động với cường độ cao Bên cạnh đó, giới hạn của nghiên cứu này chính là tính khả thi khi áp dụng vào thực tiễn bởi vì số lượng nút của LĐPP là rất lớn

Nghiên cứu [92] cho thấy tầm quan trọng của việc phân tích ngắn mạch đối xứng, bất đối xứng trong MG khi có sự hiện diện của nguồn IBDG Tùy thuộc vào các chế độ điều khiển 8 được thiết lập sẵn trong các bộ inverter, đặc tính sự cố cũng như giá trị dòng ngắn mạch tham gia vào sự cố là khác nhau Có thể thấy rằng, nghiên cứu này chỉ được thực hiện trên MG mô phỏng với sự xuất hiện của một nguồn IBDG và chưa xem xét nguồn RBDG Bên cạnh đó, hạn chế của nghiên cứu này chính là các bộ inverter được giả định sẽ lọc dòng điện thứ tự nghịch và chỉ bơm dòng điện thứ tự thuận khi LĐPP xuất hiện sự cố bất đối xứng Giả định này có thể ảnh hưởng đến việc nhận dạng sự cố trong lưới điện MG đang vận hành ở chế độ tách lưới – vốn khó có thể phân biệt giữa giá trị dòng điện sự cố với giá trị vận hành bình thường/quá tải Tài liệu [93] trình bày một phương pháp mô hình tĩnh cho các nguồn IBDG, có thể được ứng dụng trong việc phân tích trào lưu công suất cũng như phân tích ngắn mạch cho lưới điện MG khi vận hành với chế độ điều khiển V/f Phương pháp này góp phần giảm thiểu thời gian tính toán so với những phương pháp mô hình động Tuy nhiên, kết quả phân tích trào lưu công suất hoặc phân tích ngắn mạch dựa vào mô hình tĩnh có thể cho kết quả không chính xác bởi vì trạng thái vận hành của LĐPP có tích hợp nguồn DG là trạng thái động Nghiên cứu [94] phân tích định lượng giá trị đỉnh của dòng điện pha trước khi đề xuất

8 Điều khiển P/Q hoặc điều khiển V/f giải thuật điều khiển hạn dòng nhằm điều khiển linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng, đáp ứng độ tin cậy cung cấp điện nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho inverter trong giai đoạn LVRT Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện đỉnh tăng vọt khi sự cố xuất hiện và đã được hạn chế ở mức an toàn Để tính toán chính xác các giá trị dòng điện sự cố trên LĐPP có chứa các nguồn

DG dạng RBDG và IBDG trước khi lập trị số bảo vệ phù hợp, một số phương pháp đã được đề xuất trong những công trình nghiên cứu [95-114] Trong công trình [97], một phương pháp tính chính xác giá trị dòng điện sự cố đóng góp bởi nguồn IBDG tương ứng với từng dạng sự cố đối xứng/bất đối xứng được thực hiện hiệu quả nhưng mất nhiều thời gian tính toán Tài liệu [98] giả định rằng những bộ inverter chỉ đóng góp dòng điện sự cố thứ tự thuận khi xuất hiện sự cố trên MG; trong đó, trở kháng thứ tự nghịch và thứ tự không của hệ thống được quy về một giá trị trở kháng tương đương trước khi thực hiện phân tích ngắn mạch Trong khi nghiên cứu [99-100] tiếp cận việc phân tích dòng điện ngắn mạch bằng phương pháp tính lặp Gauss-Seidel khi nguồn IBDG đang hoạt động nối lưới, thì nghiên cứu [101-102] đã đề xuất một thuật toán tính toán dòng điện tự thích nghi dựa trên phương pháp lặp Newton-Raphson kết hợp với các phép biến đổi các thành phần thứ tự Tuy nhiên, thời gian thực hiện các phép tính toán lặp nhằm xác định giá trị dòng điện sự cố là khá lâu và tính linh hoạt không cao khi phải đối mặt với đặc tính vận hành P2P của các nguồn phát DG Mặt khác, tại nghiên cứu [103], các tác giả giả định rằng đã kiểm soát phản ứng của nguồn IBDG bằng cách chỉ cho phép bơm dòng điện sự cố thứ tự thuận vào LĐPP với giá trị nhỏ hơn 2.0 pu Những tài liệu tham khảo [104-114] cũng đã phân tích ngắn mạch trên LĐPP tích hợp nguồn IBDG/RBDG/cả hai với việc xem xét và phân tích các trường hợp sự cố cho LĐPP ba pha ba dây hoặc ba pha bốn dây Tóm tắt lại, Bảng 2.8 trình bày nội dung của những công trình nghiên cứu liên quan đến những phương pháp phân tích ngắn mạch trên LĐPP có tích hợp nguồn DG

Sự phát triển và tích hợp những nguồn năng lượng phân tán DG/MG vào LĐPP đã làm xuất hiện những thách thức mới trong việc kiểm soát chất lượng điện áp và bảo vệ hệ thống điện [144-146] Khi nguồn DG/MG thâm nhập vào LĐPP ở một mức độ nhất định, việc kiểm soát giá trị điện áp và dòng điện sự cố sẽ trở nên phức tạp bởi vì các DG/MG có thể gây ra hiện tượng dao động điện áp và dòng điện trong quá trình vận hành Theo đó, độ tin cậy của những TBBV OC/DOC trên LĐPP sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng [147] Trong thực tế, giá trị điện áp tại các nút trên LĐPP cũng thay đổi đáng kể bởi sự dao động của phụ tải và chế độ hoạt động của nguồn DG/MG Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực dự báo nguồn và phụ tải [148-152], việc phát triển phương pháp dự báo để phục vụ cho công tác phân tích ngắn mạch và điều phối bảo vệ trên LĐPP tích hợp nguồn DG/MG vẫn chưa được quan tâm đúng mức Bên cạnh đó, nguồn dữ liệu quá khứ hiện nay cần được tận dụng và khai thác triệt để nếu nắm bắt được những đặc trưng, quy luật hoặc xu hướng thay đổi của dữ liệu Chính vì vậy, việc phát triển phương pháp dự báo để có thể hỗ trợ hiệu quả cho việc phân tích trào lưu công suất và phân tích ngắn mạch là cần thiết [153-154] Trong luận án, tác giả đã tập trung vào việc phát triển phương pháp dự báo khoảng giá trị tin cậy của điện áp tại các nút có liên kết với những TBBV và phương pháp xác định khoảng giá trị tin cậy của phụ tải trên tuyến dây để kết hợp với phương pháp xác định giá trị dòng điện ngắn mạch đóng góp bởi nguồn lưới và nguồn DG/MG khi sự cố xảy ra Đây là phương pháp phân tích ngắn mạch được cải tiến để phù hợp với những đặc tính vận hành P2P và P&P của nguồn DG/MG, nhằm hướng đến việc phát triển phương pháp điều phối bảo vệ

TBBV hoạt động dựa vào nguyên lý bảo vệ OC/DOC (gọi tắt là OCPR) đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn dòng điện sự cố đi qua những phần tử mang điện trên LĐPP Bên cạnh đó, những OCPR không chỉ được ứng dụng trong việc phát hiện và cách ly dòng điện sự cố mà còn được đảm bảo để hoạt động một cách chọn lọc Để phục vụ cho việc chỉnh định trị số bảo vệ hiệu quả hơn, dòng điện ngắn mạch được quan sát bởi các OCPR phải được tính toán từ nhiều dạng sự cố khác nhau (ví dụ như sự cố một pha chạm đất, sự cố hai pha chạm đất, sự cố pha chạm pha và sự cố ba pha) cho từng vị trí cụ thể trên LĐPP Căn cứ vào kết quả phân tích ngắn mạch, việc tính toán phối hợp bảo vệ sẽ xem xét và lựa chọn trị số bảo vệ phù hợp trước khi cập nhật vào bộ nhớ của mạch vi xử lý trong tủ OCPR

Về cơ bản, việc phân tích ngắn mạch dựa trên mối quan hệ của ba ma trận, gồm: i) ma trận dòng điện nhánh, ii) ma trận điện áp nút và iii) ma trận tổng dẫn nút Cụ thể, ma trận dòng điện ngắn mạch tương ứng với từng dạng sự cố được xác định bằng cách nhân ma trận tổng dẫn nút với ma trận điện áp nút Trong đó, ma trận tổng dẫn nút được tính toán bằng cách nghịch đảo ma trận tổng trở và giá trị điện áp nút của mỗi pha được giả sử bằng với giá trị danh định [75] hoặc thông qua kết quả phân tích trào lưu công suất theo chu kỳ định trước [142] Tuy nhiên, trạng thái hoạt động của LĐPP luôn thay đổi do các đặc tính vận hành của nguồn DG/MG và nhu cầu của phụ tải theo từng thời điểm trong ngày Điều này làm ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của kết quả phân tích ngắn mạch theo phương pháp truyền thống do giá trị điện áp danh định thường được lựa chọn để tính toán Mặt khác, nếu sử dụng kết quả phân tích trào lưu công suất theo chu kỳ định trước để tính toán dòng điện ngắn mạch thì việc cập nhật trị số bảo vệ cho OCPR phải được thực hiện thường xuyên dù cho LĐPP không thay đổi cấu trúc Điều này làm tăng số lần phân tích ngắn mạch không cần thiết, gây phức tạp trong việc lựa chọn trị số bảo vệ và mất nhiều thời gian cập nhật đến các OCPR Từ những nhận định trên, việc cải thiện độ chính xác của kết quả phân tích ngắn mạch cùng với việc giảm thiểu số lần phân tích ngắn mạch là cần thiết để tối ưu hóa quá trình tính toán và cài đặt trị số cho các OCPR trên LĐPP

Kết luận lại, tác giả nhận thấy rằng đối tượng nghiên cứu của những tài liệu tham khảo chủ yếu tập trung vào LĐPP hạ thế hình tia hoặc các MG để phát triển các mô hình/giải thuật/phương pháp phân tích trào lưu công suất cũng như phân tích ngắn mạch, trong khi vấn đề phân tích ngắn mạch của LĐPP cấp điện áp trung thế chưa được xem xét một cách toàn diện Bên cạnh đó, nguồn phát IBDG được giả định rằng được điều khiển chỉ để bơm dòng điện sự cố thứ tự thuận khi LĐPP xảy ra sự cố Do đó, việc bổ sung thêm phương pháp phân tích ngắn mạch cho LĐPP có tích hợp hai dạng nguồn IBDG và RBDG, có xem xét đến những đặc tính vận hành P2P và P&P trên LĐPP cấp điện áp trung thế là hoàn toàn cần thiết Ngoài ra, phương pháp phân tích ngắn mạch cần đảm bảo thời gian xử lý tính toán hợp lý thông qua việc tận dụng những kết quả dự báo phụ tải, dự báo điện áp nút nhằm hạn chế các phép tính toán không cần thiết và cải thiện độ chính xác của kết quả tính toán nhằm làm cơ sở phục vụ hiệu quả cho những ứng dụng điều phối hệ thống bảo vệ

Bảng 2.8 Bảng tóm tắt nội dung những công trình nghiên cứu liên quan đến các phương pháp phân tích ngắn mạch trên LĐPP có tích hợp nguồn DG

Các nghiên cứu hiện nay

Tóm tắt nghiên cứu Ưu điểm Giới hạn

[75] Đề cập phương pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động phục vụ cho hệ thống bảo vệ của

MG trong chế độ vận hành hòa lưới Cụ thể, tác giả đã đề xuất những phương trình tính toán để xác định giá trị dòng điện ngắn mạch góp từ các nguồn IBDG và RBDG một cách chính xác và nhanh chóng

 Đơn giản, dễ triển khai;

 Nhanh chóng xác định được dòng điện ngắn mạch nhìn bởi các relay bảo vệ MDR trong MG;

 Có xem xét đến sự hiện diện của nguồn IBDG và RBDG;

 Có sử dụng hạ tầng truyền dẫn thông tin để thu thập, trao đổi dữ liệu với hệ thống MGCC;

Tổng quan về hệ thống bảo vệ và phương pháp điều phối bảo vệ cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG

có tích hợp nguồn DG/MG

Như đã phân tích, hệ thống bảo vệ của LĐPP truyền thống sẽ gặp những thách thức đáng kể do những đặc tính và chế độ vận hành của nguồn DG rất đa dạng Trong khi nguồn RBDG đóng góp đáng kể dòng điện sự cố vào LĐPP thì nguồn IBDG ngày nay được trang bị chức năng LVRT ngăn chặn việc ngắt kết nối DG với LĐPP quá nhanh (< 2 giây) Điều này khiến cho hệ thống bảo vệ trên LĐPP hoạt động với độ tin cậy thấp và đòi hỏi khả năng tự thích ứng với những thay đổi trên LĐPP trong mọi kịch bản Theo đó, việc phát triển những phương pháp điều phối bảo vệ cho những relay bảo vệ kỹ thuật số quá dòng nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng tiêu cực của nguồn

DG vào LĐPP (đặc biệt là khả năng làm thay đổi giá trị độ lớn và hướng chảy của dòng điện sự cố) là hoàn toàn cần thiết Chính vì vậy, luận án này còn tập trung phát triển một hệ thống bảo vệ tự thích nghi cho LĐPP có tích hợp DG, thông qua việc thiết kế giải thuật điều phối bảo vệ và đề xuất những chức năng cần thiết của một relay bảo vệ kỹ thuật số (DDR)

Trong mục này, tác giả sẽ trình bày những tổng quan về các phương pháp điều phối bảo vệ mà thế giới đã đề xuất áp dụng cho LĐPP có tích hợp nguồn DG Cần lưu ý rằng, việc thiết kế giải thuật điều phối bảo vệ là hoàn toàn cần thiết để đảm bảo tính phối hợp giữa các loại bảo vệ chính và dự phòng trên cùng một TBBV (chẳng hạn như relay bảo vệ kỹ thuật số) và giữa những TBBV với nhau Đối với việc phối hợp hoạt động giữa những chức năng bảo vệ trong cùng một TBBV, bên cạnh chức năng bảo vệ chính đóng vai trò là chốt chặn để kịp thời phát hiện và cách ly sự cố trên LĐPP, thì bảo vệ dự phòng sẽ đảm nhận nhiệm vụ hỗ trợ cho bảo vệ chính trong những trường hợp bảo vệ chính hoạt động không hiệu quả Đối với việc phối hợp hoạt động giữa những TBBV liền kề nhau, hệ thống bảo vệ sẽ phân vùng hoạt động thông qua các trị số chỉnh định gồm: giá trị ngưỡng dòng điện/điện áp cài đặt, thời gian cho phép khởi động và thời gian cho phép tác động

2.4.1 Phương pháp phối hợp bảo vệ dựa vào thời gian

Khi bảo vệ chính vận hành không hiệu quả, những bảo vệ dự phòng sẽ lập tức được kích hoạt sau một khoảng thời gian trễ Việc này được thực hiện bằng những giải thuật/phương pháp phối hợp bảo vệ dựa trên thời gian khởi động/tác động khác nhau Cụ thể, tài liệu [115] đã phát triển một giải thuật nhằm phát hiện và xử lý các sự cố trên LĐPP chứa nguồn DG/MG Hình 2.2 cho thấy nhiều mô-đun bảo vệ được bố trí dọc trên tuyến dây để phân chia LĐPP thành nhiều vùng khác nhau nhằm thuận tiện trong việc quan sát và phân cấp bảo vệ Trong tài liệu này, những mô-đun bảo vệ quá dòng truyền thống đã được sử dụng để phát hiện sự cố Nếu sự cố không được phát hiện và cách ly kịp thời sau một khoảng thời gian nhất định, những chức năng bảo vệ của nguồn DG/MG sẽ tự động thực hiện nhiệm vụ tách lưới Bên cạnh đó, hướng dòng điện sự cố và dạng sự cố cũng đồng thời được xác định thông qua những giá trị điện áp/dòng điện tức thời cung cấp bởi các mô-đun bảo vệ Khi biết được hướng xuất phát của dòng điện sự cố, thời gian bảo vệ tác động sẽ được xác định và áp dụng vào từng mô-đun bảo vệ cho đến khi sự cố được giải trừ Ngoài ra, việc ứng dụng thêm mạng truyền thông sẽ hỗ trợ cải thiện tốc độ nhận dạng, xử lý thông tin của những TBBV

Mô-đun chỉ báo sự cố

Hình 2.2 Hệ thống bảo vệ của LĐPP được phân vùng hoạt động dựa vào những mô-đun bảo vệ quá dòng truyền thống Một giải thuật bảo vệ khác được đề xuất trong nghiên cứu [116] đã sử dụng relay kỹ thuật số để bảo vệ cho LĐPP có tích hợp DG trong hai chế độ kết nối và tách lưới Theo đó, mỗi relay kỹ thuật số sẽ chứa nhiều mô-đun chức năng khác nhau, chẳng hạn như điều khiển đóng/cắt, giao tiếp truyền thông, bảo vệ dựa vào giá trị pha, bảo vệ dựa vào giá trị thứ tự nghịch và quan sát hướng của dòng công suất Mỗi mô- đun sẽ đảm nhận nhiệm vụ bảo vệ từng pha tương ứng với từng phân đoạn của tuyến dây và đóng vai trò như một TBBV thứ cấp trên LĐPP (TBBV sơ cấp chính là các TBBV lắp đặt tại phía đầu nguồn) Ngoài ra, mỗi mô-đun bảo vệ ba pha dựa trên các thành phần thứ tự nghịch/thứ tự không sẽ hoạt động dự phòng cho các mô-đun bảo vệ chính Việc tính toán phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị trên LĐPP này sẽ được triển khai bằng kỹ thuật sắp xếp thời gian tác động của những TBBV Nếu mô-đun bảo vệ gần vị trí sự cố nhất không thể kích hoạt để ngăn chặn dòng sự cố đi qua thì relay bảo vệ liền kề cấp trên sẽ chủ động cách ly sự cố sau một khoảng thời gian trễ Một cách đơn giản, việc sử dụng giải thuật/phương pháp phối hợp bảo vệ dựa vào điều phối thời gian tác động chưa thực sự cần đến sự hỗ trợ của tính năng truyền dẫn thông tin hay khả năng tự thích nghi, nhưng phù hợp với việc phối hợp ngăn chặn các cấp độ dòng điện sự cố và loại sự cố khác nhau Nhược điểm của những giải thuật/phương pháp này nằm ở thời gian cô lập sự cố tương đối dài do phải phân bố quỹ thời gian cho phép phối hợp giữa các TBBV liền kề với nhau một cách hợp lý

2.4.2 Phương pháp phối hợp bảo vệ thông qua sự hỗ trợ của hệ thống mạng truyền dẫn thông tin

Trong những phương pháp bảo vệ dựa vào sự hỗ trợ của mạng giao tiếp thông tin, hệ thống xử lý điều khiển cấp trung tâm sẽ được sử dụng để trao đổi thông tin với toàn bộ thiết bị đo lường, TBBV và bộ điều khiển đóng/cắt thông qua hạ tầng mạng truyền dẫn thông tin Theo đó, hệ thống xử lý điều khiển cấp trung tâm thực hiện phân tích những giá trị điện áp và dòng điện thời gian thực để nhận dạng sự cố xảy ra trên LĐPP Tiếp theo, tín hiệu cắt sẽ được gửi đến những bộ điều khiển đóng/cắt có liên quan để ngăn chặn dòng điện sự cố đi qua Nghiên cứu [117] đã đề xuất một mô hình bảo vệ dành riêng cho những trường hợp sự cố dạng pha – đất (chẳng hạn như một pha chạm đất, hai pha chạm đất, ba pha chạm đất) dựa vào việc sử dụng relay kỹ thuật số và hệ thống mạng truyền dẫn thông tin Mô hình bảo vệ chính hoạt động dựa trên nguyên lý so lệch dòng điện để phát hiện, định vị sự cố trước khi tác động cắt hai thiết bị đóng cắt gần sự cố nhất Nếu bảo vệ chính thất bại, chức năng bảo vệ dự phòng sẽ tự động gửi lệnh cắt đến những relay bảo vệ liền kề cấp trên sau một khoảng thời gian nhất định Nếu cả relay bảo vệ dự phòng hoặc mạng truyền thông gặp lỗi, relay bảo vệ so lệch điện áp sẽ được kích hoạt hoạt động Ngoài ra, mô hình bảo vệ này cũng có thể được ứng dụng để phát hiện các sự cố ngắn mạch tổng trở cao (HIF – High Impedance Fault) Mạng truyền dẫn thông tin thiết lập trong mô hình này có độ tin cậy cao bởi vì được thiết kế theo cấu trúc mạch vòng với khả năng dự phòng cao khi gặp lỗi mất kết nối Tiếp theo, nghiên cứu [118] đề xuất một mô hình bảo vệ dành cho LĐPP hình tia có sử dụng những TBBV tích hợp điều khiển IPC (Integrated Protection and Control) Theo đó, các IPC được kết nối với nhau bởi mạng cáp quang đến những thiết bị đo lường, máy cắt và thiết bị điều khiển ở mỗi tuyến dây của LĐPP Nhờ vào những giá trị dòng điện, điện áp và các đại lượng điện khác theo thời gian thực, các IPC sẽ đưa ra các quyết định điều khiển tương ứng đến các máy cắt và các thiết bị điều khiển có liên quan

Nghiên cứu [119] đề xuất một mô hình bảo vệ so lệch diện rộng kết hợp với mạng truyền thông để bảo vệ cho MG có tích hợp nguồn IBDG nhằm ngăn chặn các sự cố dạng ba pha chạm đất Cụ thể, những thiết bị điện tử thông minh IED và máy cắt ở mỗi tuyến dây được kết nối với một trung tâm điều khiển thông qua mạng truyền dẫn không dây (mạng GPRS/3G/4G) Trung tâm điều khiển sẽ xử lý giải thuật bảo vệ so lệch trên từng tuyến dây để xác định phân đoạn bị sự cố trước khi gửi tín hiệu cắt máy cắt và tự động đóng lại Ngoài ra, chức năng bảo vệ dự phòng sẽ kích hoạt để định vị và cách ly sự cố nếu chức năng bảo vệ chính hoạt động không hiệu quả Tài liệu [120] đã nghiên cứu các giải thuật kết hợp giữa bảo vệ so lệch dòng điện, bảo vệ điện áp với mạng truyền thông để ứng dụng vào MG hoạt động ở chế độ tách lưới Theo đó, TBBV so lệch được bố trí tại mọi điểm mà MG kết nối với lưới điện chính Nhờ vậy, sự cố xảy ra bên trong hoặc bên ngoài MG đều được phát hiện và cách ly kịp thời Ngoài ra, giải thuật đã phát triển trong nghiên cứu này còn có thể thích nghi với những thay đổi về mặt cấu trúc của MG Tuy nhiên, hạn chế của giải thuật này chính là chưa xem xét đến dạng sự cố ngắn mạch tổng trở cao cũng như chưa đề xuất phương pháp bảo vệ dự phòng cho những tuyến dây lân cận Trong nghiên cứu [121], mỗi relay bảo vệ được tích hợp các mô-đun vi xử lý gồm mô-đun xác định hướng công suất, mô-đun xác định chế độ nối lưới/tách lưới, mô-đun giao tiếp truyền thông và mô-đun đóng/cắt Hệ thống bảo vệ trung tâm MGPC (Microgrid Protection Center) sẽ kết nối và giao tiếp với các relay bảo vệ bên trong MG thông qua các thiết bị mạng nhằm xử lý giải thuật bảo vệ do các tác giả đề xuất Theo đó, MGPC sẽ xác định chính xác phân đoạn sự cố dựa vào các tín hiệu phát hiện sự cố và hướng của dòng sự cố đi qua mỗi relay bảo vệ Mặt khác, phương pháp bảo vệ quá dòng dựa vào thời gian cũng được phát triển cùng với việc phân cấp bảo vệ chính/dự phòng đã giúp cho thời gian xử lý của giải thuật này hiệu quả hơn so với nghiên cứu [116]

2.4.3 Các phương pháp phối hợp bảo vệ khác

Các giải thuật phối hợp chức năng bảo vệ chính với chức năng bảo vệ dự phòng dành cho MG ở cả hai chế độ nối và tách lưới được đề xuất trong nghiên cứu [122,123], mà không cần đến sự hỗ trợ từ mạng truyền thông hoặc phối hợp thời gian

Cụ thể hơn, đối với sự cố một pha chạm đất, các tác giả đã sử dụng chức năng bảo vệ chính là bảo vệ so lệch F87 để bảo vệ cho vùng phía trước sự cố và chức năng bảo vệ thứ tự không 3V0/3I0 cho vùng phía sau sự cố Hơn nữa, chức năng bảo vệ dựa vào giá trị dòng điện thứ tự nghịch F46 được sử dụng để xác định các sự cố dạng pha chạm pha trong khi bảo vệ dựa trên phương trình I 2 t được dùng để phát hiện những sự cố dạng pha chạm đất Mặt khác, chức năng bảo vệ dự phòng điện áp thấp F27 cũng được sử dụng khi MG vận hành ở chế độ tách lưới Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu này chính là chưa xem xét đến sự cố ba pha và phức tạp khi triển khai thực tế

2.4.3.1 Phương pháp bảo vệ dựa trên nguyên lý quá dòng và các thành phần thứ tự

Một trong những phương pháp hiệu quả về kinh tế để điều phối hệ thống bảo vệ trên LĐPP có tích hợp nguồn DG chính là tận dụng những chức năng bảo vệ quá dòng/thành phần thứ tự sẵn có trong những TBBV hiện hữu Theo đó, nhiều bộ trị số bảo vệ quá dòng (F50, F51), bảo vệ dựa vào các thành phần thứ tự (F46, F47, 50REF, F46BC, 3I0, 3V0) khác nhau có thể được cài đặt sẵn để thay đổi tương ứng với từng cấu trúc của LĐPP Tài liệu [124] trình bày một phương pháp điều phối bảo vệ để phát hiện sự cố trong MG khi đang hoạt động ở chế độ tách lưới dựa trên những giá trị dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không nội suy từ dữ liệu đo lường lấy mẫu theo thời gian thực Cụ thể hơn, các tác giả đã lần lượt sử dụng giá trị dòng điện thứ tự không và thứ tự nghịch để xác định những trường hợp sự cố một pha chạm đất và hai pha chạm nhau trong MG không cân bằng Nghiên cứu [125] tóm tắt về một mô hình bảo vệ quá dòng cắt nhanh F50 không cần xem xét đến vị trí đặt nguồn

DG trên LĐPP Theo đó, nguồn DG được giả định sẽ chủ động cắt nhanh ngay khi phát hiện sự cố trên LĐPP để đảm bảo sự cố chỉ được bơm bởi một nguồn điện duy nhất là nguồn lưới Ưu điểm của phương pháp này chính là các TBBV sẽ không cần phải điều phối lại kể cả khi cấu trúc của LĐPP thay đổi nhưng độ tin cậy cung cấp điện có thể giảm, đặc biệt là đối với những trường hợp sự cố thoáng qua

Tiếp theo, nghiên cứu [126] đã đề xuất một giải thuật cải thiện tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ trên LĐPP nhờ vào sự hỗ trợ của mạng truyền thông ba cấp độ, relay bảo vệ quá dòng có hướng F67 và relay bảo vệ vượt ngưỡng điện áp F27/F59 Trong tài liệu [127], hệ thống bảo vệ cho MG hạ thế được tích hợp các relay bảo vệ kỹ thuật số quá dòng có hướng để triển khai phương pháp điều phối bảo vệ Theo đó, những relay bảo vệ này sẽ quan sát hướng công suất đi qua relay bảo vệ để cài đặt trị số bảo vệ thích hợp Mặc dù ưu điểm của phương pháp này là không cần trang bị thêm hạ tầng truyền dẫn nhưng những relay bảo vệ sẽ khó phân biệt được nguồn điện chính do không được cung cấp đầy đủ thông tin về trạng thái vận hành Nghiên cứu

[128] đã xem xét đến việc ứng dụng các chức năng bảo vệ thành phần thứ tự (thuận, nghịch, không) kết hợp với phương pháp truyền thông tin có hướng GOOSE để nhận dạng và cách ly tất cả các trường hợp sự cố đối xứng và bất đối xứng trong MG

Tóm lại, hạ tầng truyền dẫn thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối hiệu quả các relay bảo vệ quá dòng vô hướng/có hướng/theo thành phần thứ tự trên LĐPP/MG có tích hợp nguồn DG Theo đó, mục đích của việc triển khai hệ thống truyền dẫn thông tin là để các thiết bị có thể trao đổi thông tin lẫn nhau hoặc thông tin có thể được tập trung về một hệ thống xử lý nhằm phù hợp với xu hướng hướng tiếp cận của những phương pháp FLISR tập trung và phân tán Chính vì vậy, trong luận án này, tác giả sẽ sử dụng một hệ thống truyền dẫn thông tin để tạo môi trường kết nối giữa những thiết bị cấp dưới (chẳng hạn như IED, AMI, FTU có tích hợp FI, relay bảo vệ kỹ thuật số và recloser) với hệ thống SCADA/DMS trung tâm cấp trên Theo đó, hệ thống SCADA/DMS trung tâm cấp trên sẽ đảm nhận nhiệm vụ xử lý những phương pháp FLISR, phân tích ngắn mạch và điều phối bảo vệ dành cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG và truyền thông tin/lệnh điều khiển đến những thiết bị cấp dưới

2.4.3.2 Phương pháp thiết lập hệ thống bảo vệ tự thích nghi

Các nghiên cứu liên quan đến hệ thống bảo vệ tự thích nghi chủ yếu dựa vào việc sử dụng những relay bảo vệ kỹ thuật số có khả năng tự động thay đổi trị số chỉnh định, đường cong bảo vệ theo đặc tuyến và những lập trình logic nội bộ Cụ thể hơn, những relay bảo vệ kỹ thuật số này có thể thay đổi trạng thái theo thời gian lập trình sẵn hoặc thông qua tín hiệu điều khiển hoặc sự thay đổi trạng thái của những thiết bị khác cùng liên kết vào một hệ thống mạng truyền dẫn thông tin [129] Nghiên cứu

Kết luận

Căn cứ vào việc phân tích, đánh giá và những nhận định mà tác giả đúc kết từ những phân tích trên, việc phát triển hệ thống bảo vệ của LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG là rất cần thiết và phù hợp với xu hướng phát triển của LĐPP thông minh ngày nay Theo đó, nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất và khả thi khi ứng dụng vào thực tiễn, tác giả đã tập trung nghiên cứu về công nghệ FLISR, phương pháp dự báo, phương pháp phân tích ngắn mạch cải tiến và phương pháp điều phối bảo vệ khi LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG nhằm phát triển một hệ thống bảo vệ mới Để tổng kết lại, tác giả đã đặt ra những vấn đề cần giải quyết cũng như những phương pháp thực hiện liên quan đến phương pháp FLISR cho LĐPP truyền thống; phương pháp FLISR, phương pháp phân tích ngắn mạch cải tiến và phương pháp điều phối bảo vệ dành cho LĐPP tích hợp nguồn DG/MG, như đã thể hiện chi tiết trong Bảng 2.10

Bảng 2.10 Những vấn đề đặt ra để phát triển hệ thống bảo vệ cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG và phương pháp đề xuất tương ứng

Chương Những vấn đề đặt ra để giải quyết

Những phương pháp thực hiện để giải quyết vấn đề đặt ra

3  Phát hiện sự cố nhanh;

 Triển khai lắp đặt thiết bị thông minh như IED, relay bảo vệ kỹ thuật số, recloser, LBS, FTU có chức năng FI trên LĐPP;

 Định vị sự cố chính xác;

 Cách ly sự cố kịp thời;

 Đề xuất phương án khôi phục cung cấp điện hiệu quả;

 Xem xét sự ảnh hưởng của nguồn

DG/MG đến phương pháp

FLISR đã phát triển để kiểm tra tính phù hợp;

DG/MG như một phương án khôi phục cung cấp điện hiệu quả

 Nâng cấp tính năng, firmware cho các thiết bị hiện hữu để đảm bảo khả năng giám sát và điều khiển từ xa;

 Sử dụng mô hình hệ thống SCADA/DMS phân tán và mạng truyền dẫn hai chiều để thu thập và xử lý dữ liệu;

 Cải tiến giải thuật phát hiện, định vị, cách ly sự cố bằng cách sử dụng tín hiệu bảo vệ khởi động/tác động hoặc tín hiệu cảnh báo;

 Tập trung vào việc phát triển giải thuật khôi phục cung cấp điện có xem xét đến lượng công suất bị mất, số lượng khách hàng mất điện và số lượng bước thao tác song song với việc kiểm tra tính xung đột đối với các điều kiện vận hành ràng buộc gồm: i) cực tiểu lượng công suất bị mất và ii) cực tiểu số lượng bước thao tác cùng với bảy tiêu chí đánh giá như sau i) không xung đột dòng công suất, ii) không xung đột điện áp, iii) lượng công suất bị mất, iv) số lượng khách hàng mất điện, v) số lượng bước thao tác, vi) tổn thất công suất, và vii) sự phối hợp bảo vệ;

 Tích hợp hai dạng nguồn IBDG và RBDG vào LĐPP truyền thống;

 Sử dụng những relay bảo vệ kỹ thuật số hoạt động dựa trên nguyên lý quá dòng và điện áp thấp làm bảo vệ chính và bổ sung thêm những chức năng bảo vệ phụ;

 Xem xét các chế độ hoạt động bảo vệ của nguồn IBDG gồm: i) nguồn IBDG cắt ngay lập tức, và ii) nguồn IBDG cắt theo đặc tuyến bảo vệ LVRT;

 Xây dựng mô hình nguồn DG đủ điều kiện để hoạt động như một nguồn phụ trợ cho LĐPP khi xảy ra sự cố Theo đó, nguồn DG được trang bị đầy đủ hai chức năng là điều khiển V/f và điều khiển P/Q

4  Cải thiện độ chính xác của kết quả phân tích ngắn mạch nhằm điều phối hiệu quả những relay bảo vệ trên

 Xem xét những đặc tính vận hành P2P và P&P của những dạng nguồn DG;

 Phát triển phương pháp dự báo phụ tải/điện áp để xác định khoảng tin cậy của phụ tải, điện áp và dòng điện ngắn mạch;

LĐPP có tích hợp nguồn

 Tối ưu về thời gian và số lần thực hiện phân tích ngắn mạch để đảm bảo tính khả thi khi triển khai thực tế;

 Sử dụng kết quả của phương pháp phân tích ngắn mạch để điều phối những relay bảo vệ kỹ thuật số;

 Kết hợp với phương pháp FLISR đã đề xuất cho LĐPP có tích hợp nguồn DG/MG để tăng thêm tính ứng dụng và sự hiệu quả của phương án ISR

 Mô hình phụ tải trên LĐPP thành 02 dạng

PQ hoặc PV để dễ dàng thực hiện tính toán trào lưu công suất;

 Sử dụng ma trận [I]nhánh=[Y]nút[V]nút kết hợp với giải thuật phân rã tính toán LU để tính toán trào lưu công suất và phân tích ngắn mạch;

 Phát triển phương pháp lựa chọn trị số bảo vệ để điều phối hiệu quả những TBBV quá dòng khi LĐPP thay đổi cấu trúc;

 Bổ sung thêm khả năng tự thích nghi vào những relay bảo vệ kỹ thuật số;

 Bổ sung thêm chức năng bảo vệ F46BC để dự phòng cho những chức năng bảo vệ chính như F50, F51 và F67;

 Xây dựng bảng ma trận dữ liệu trị số bảo vệ quá khứ của từng relay bảo vệ kỹ thuật số tương ứng với từng cấu trúc vận hành của LĐPP có tích hợp nguồn DG để hệ thống SCADA/DMS tự động cập nhật Theo đó, thời gian xử lý kết quả điều phối bảo vệ sẽ được giảm thiểu

TBBV DDR dành cho hệ thống bảo vệ của LĐPP có tích hợp nguồn

 Lập mô hình của một TBBV kỹ thuật số DDR;

 Trình bày những yêu cầu kỹ thuật cho những mô-đun phần mềm cần thiết của TBBV DDR.

PHƯƠNG PHÁP FLISR ĐỀ XUẤT CHO LĐPP CÓ TÍCH HỢP NGUỒN DG/MG

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH CẢI TIẾN VÀ ĐIỀU PHỐI BẢO VỆ QUÁ DÒNG DÀNH CHO LĐPP TÍCH HỢP NGUỒN DG/MG

ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG BẢO VỆ CHO LĐPP TÍCH HỢP NGUỒN DG/MG