Nghiên cứu xây dựng chương trình giám sát độ dự trữ ổn định tĩnh cho hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 32 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT ĐỘ DỰ TRỮ ỔN ĐỊNH TĨNH CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM GIAI ĐOẠN 2015 A STUDY ON DEVELOPING A PROGRAM TO MONITOR THE STABILITY RESERVE LEVEL OF VIETNAM POWER SYSTEM IN 2015 NGÔ VĂN DƢỠNG Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Công suất tại các nút phụ tải của hệ thống điện thường xuyên thay đổi để đáp ứng nhu cầu của hộ tiêu thụ, khi phụ tải tăng đến một mức nào đó sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp, gây mất ổn định hệ thống làm tan rã lưới. Việc xác định được độ dự trữ ổn định ứng với một trạng thái vận hành thực tế có ý nghĩa quan trọng trong quá trình quản lý vận hành hệ thống điện. Bài báo trình bày phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh trên mặt phẳng công suất để đánh giá độ dự trữ ổn định tĩnh cho hệ thống điện. Áp dụng xây dựng chương trình giám sát ổn định cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015. ABSTRACT The power at the load bus of the power system always changes to meet the electrical ulitisation demand. However, when the boost load reaches a certain level, there will be collapsing voltage, the power system becomes unstable and will be separated into small systems. Identifying the stability reserve in conformity with a certain practical operation condition is very important for management and operation the system. This paper presents a method to build a possible operation region in the power plane of load bus which works in comply with the stability limit. This method is used to build a program to monitor the stability reserve of Vietnam’s power system in 2015. 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì nhu cầu năng lƣợng cũng ngày một gia tăng trong đó năng lƣợng điện đóng vai trò rất quan trọng. Do đó phụ tải Hệ thống điện liên tục phát triển và mở rộng dẫn đến việc quản lý và vận hành hệ thống cũng ngày càng khó khăn và phức tạp hơn. Đối với các hệ thống điện nhỏ, đƣờng dây truyền tải ngắn thì khả năng tải của các đƣờng dây thƣờng bị giới hạn bởi điều kiện phát nóng và tổn thất điện áp, đối với các hệ thống điện lớn thì điều kiện ổn định hệ thống là yếu tố quyết định khả năng tải của các đƣờng dây [1]. Thực tế vận hành a b o QF Qpt Ua Ub U0 Q U Hình 1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 33 cho thấy hiện tƣợng sụp đổ điện áp dẫn đến tan rã lƣới đã diễn ra đối với nhiều hệ thống điện trên Thế giới nhƣ: Ở Mỹ - Canada ngày 14/8/2003, phía Nam London ngày 28/8/2003, Nam Thuỵ Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/09/2003, Ý ngày 28/09/2003 ..., đối với Hệ thống điện Việt Nam cũng đã xảy ra sự cố dẫn đến mất điện trên diện rộng vào các ngày 17/05/2005, 27/12/2006, 20/07/2007 và 04/09/2007 [6]. Qua phân tích cho thấy tất cả các hiện tƣợng trên đều liên quan đến mất ổn định hệ thống. Đánh giá khả năng ổn định tĩnh của hệ thống điện thƣờng đƣợc phân tích theo ổn định điện áp (sự gia tăng công suất làm giảm thấp và sụp đổ điện áp nút tải dẫn đến tan rã lƣới) và ổn định góc pha  (mất đồng bộ ở đầu cực máy phát), tuy nhiên độ dự trữ ổn định phân tích theo ổn định góc pha  thƣờng lớn hơn nhiều so với độ dự trữ ổn định phân tích theo ổn định điện áp [2,8]. Do đó để giám sát độ dự trữ ổn định của hệ thống điện Việt Nam bài báo dựa theo tiêu chuẩn ổn định điện áp để tính toán đánh giá. Vấn đề ổn định điện áp gắn liền với sự tồn tại chế độ xác lập của hệ thống, sự gia tăng phụ tải làm giảm thấp điện áp và dẫn đến mất ổn định [3,7] (không tồn tại chế độ xác lập ứng với chế độ không hội tụ của bài toán giải tích mạng điện). Mặt khác, có thể đánh giá sự biến động điện áp nút tải theo đƣờng đặc tính Q(u) nhƣ trên hình 1. Ở trạng thái xác lập QF = Qpt sẽ tồn tại 2 điểm làm việc a và b, trong đó điểm a là điểm làm việc ổn định [2], khi phụ tải tăng thì điện áp sẽ giảm dần, đến khi Qpt = Q0 điện áp U = U0 thì hệ thống sẽ ở biên giới ổn định (điểm o) và khi Qpt > Q0 thì hệ thống sẽ mất ổn định (không tồn tại chế độ xác lập). Nhƣ vậy để xác định độ dự trữ ổn định có thể sử dụng phƣơng pháp làm nặng chế độ (tăng dần phụ tải) để tìm điểm giới hạn ổn định (điểm bắt đầu xảy ra chế độ không hội tụ của bài toán giải tích mạng điện). Bài báo sử dụng phƣơng pháp này kết hợp với chƣơng trình tính toán chế độ xác lập để xây dựng miền làm việc cho phép trên mặt phẳng công suất cho các nút tải của Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015. 2. Phương pháp tính và sơ đồ thuật toán 2.1. Phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép Qui hoạch phát triển Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 đã đề xuất nhiều phƣơng án [4], bài báo sử dụng tổng sơ đồ VI nhƣ hình 2 để nghiên cứu xây dựng chƣơng trình giám sát ổn định. Công suất tại các nút phụ tải của hệ thống điện liên tục thay đổi theo thời gian, vấn đề đặc biệt quan tâm trong quá trình vận hành là tại mỗi thời điểm cần xác định đƣợc độ dự trữ ổn định tĩnh. Độ dự trữ ổn định vừa phụ thuộc công suất nút khảo sát, vừa phụ thuộc công suất các nút khác cũng nhƣ công suất phát của các nhà máy đang vận hành, nói chung là phụ thuộc vào trào lƣu công suất trong toàn hệ thống. Do đó để đánh giá độ dự trữ ổn định bài báo chọn phƣơng pháp xây dựng miền làm việc cho phép cho nút tải trên mặt phẳng công suất. Giả sử xây dựng đƣợc đƣờng đặc tính giới hạn ổn định hợp với hệ trục tọa độ xác định đƣợc miền làm việc cho phép trên mặt phẳng công suất nhƣ hình 3, O(Q0,P0) là một điểm làm việc ổn định (Q0, P0 là công suất nút phụ tải). Căn cứ vào khoảng cách từ O đến đƣờng giới hạn cho phép xác định đƣợc độ dự TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 34 trữ ổn định, oa là độ dự trữ công suất tác dụng khi giữ Q không đổi, oc là độ dự trữ công suất phản kháng khi giữ P không đổi và ob là độ dự trữ ổn định khi giữ hệ số công suất không đổi. Để xác định đƣợc đƣờng đặc tính giới hạn tại một nút LAI CHÂU NHẬP LÀO YALY HUỘI QUẢNG NHẬP TRUNG QUỐC VIỆT TRÌ 2x450MVA SÓC SƠN 2x900MVA MÔNG DƢƠNG QUẢNG NINH 450MVA THUỶ ĐIỆN SƠN LA SƠN LA 2x600MVA THUỶ ĐIỆN HOÀ BÌNH HOÀ BÌNH 2x450MVA THƢỜNG TÍN 2x450MVA NHO QUAN 2x450MVA HÀ TỈNH 2x450MVA DI LINH 450MVA THỦ ĐỨC 2x900MVA NHIỆT ĐIỆN THỦ ĐỨC SONG MÂY 2x600MVA VŨNG ÁN 450MVA ĐÀ NẴNG 2x450MVA TÂN ĐỊNH 2x450MVA DỐC SỎI 2x450MVA PLEIKU 2x450MVA PHÚ LÂM 2x900MVA ĐẮKNÔNG 2x450MVA HÓC MÔN 2x600MVA Ô MÔN 2x450MVA NHÀ BÈ 2x600MVA PHÚ MỸ 2x450MVA Hình 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 35 phụ tải bài báo sử dụng phần mềm tính toán giải tích mạng điện và phƣơng pháp làm nặng chế độ. Giữ cố định giá trị P, tăng dần Q cho đến khi hệ thống chuyển từ trạng thái ổn định sang trạng thái mất ổn định, tại đó xác định đƣợc một điểm trên đặc tính giới hạn, thay đổi P và tính toán tƣơng tự sẽ tìm đƣợc tập hợp điểm nằm trên đặc tính giới hạn, nối các điểm này lại xác định đƣợc miền làm việc cho phép của công suất phụ tải theo điều kiện giới hạn ổn định. 2.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán Dựa theo phƣơng pháp đã trình bày ở mục 2.1, sử dụng chƣơng trình CONUS để tính toán chế độ xác lập và xây dựng sơ đồ thuật toán chƣơng trình xác định miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 nhƣ hình 4. Bắt đầu Vẽ sơ đồ HTĐ Đọc file số liệu HTD.abc Ghi lại số liệu vào file MP.abc Tính toán CĐXL và hiển thị thông số chế độ lên sơ đồ Thay đổi số liệu Kiểm tra ổn định Chọn nút khảo sát Vẽ miền làm việc cho phép Kết thúc Bắt đầu           C K K C C K i=0; Pti=0 i=i+1 Pti=Pti+P Qti=-Q Qti=Qti+Q Tính toán CĐXL HT ổn định Biểu diễn (Qti,Pti) lên đồ thị Qti=0 Nối các điểm (Qti,Pti)            Hình 4 * P0 Q0 P Q O a b c Hình 3 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 36 3. Chương trình giám sát ổn định cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 3.1. Giới thiệu chương trình GSOD Trên cơ sở sơ đồ thuật toán ở trên, tác giả đã xây dựng phần mềm GSOD mô phỏng vận hành và giám sát độ dự trữ ổn định cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015. Khởi động chƣơng trình trên màn hình xuất hiện giao diện các chức năng nhƣ hình 5a: - Mô phỏng vận hành HTĐ: Chức năng này cho phép khảo sát các chế độ vận hành Hệ thống điện, khi cho thay đổi các thông số vận hành nhƣ công suất phụ tải, công suất phát của nhà máy điện hoặc thay đổi cấu trúc hệ thống (đóng cắt các đƣờng dây truyền tải), chƣơng trình sẽ tính toán chế độ xác lập và hiển thị các thông số chế độ lên sơ đồ, chúng ta có thể quan sát trực tiếp trên màn hình máy tính (hình 5b) nhƣ đang vận hành hệ thống điện thực tế. Chƣơng trình còn có chức năng hỗ trợ bằng cách sử dụng các phím lên, xuống, qua, lại để di chuyển sơ đồ trên màn hình cho phép quan sát đƣợc tất cả các nút của hệ thống điện. - Đánh giá dự trữ ổn định tĩnh: Chức năng này dùng để xác định miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh của công suất phụ tải trên mặt phẳng công suất, dùng chuột để chọn nút cần khảo sát, chƣơng trình sẽ vẽ đƣờng đặc tính giới hạn ổn định hợp với hệ trục toạ độ xác định miền làm việc của công suất phụ tải nhƣ hình 6. Trên đồ thị biểu diễn điểm làm việc hiện tại, dựa vào khoảng cách từ điểm làm việc đến đặc tính giới hạn ổn định để đánh giá độ dự Hình 5a Hình 5b Hình 6 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 37 trữ ổn định nhƣ đã trình bày trong mục 2.1. Chƣơng trình còn có chức năng hỗ trợ để chọn độ chính xác tính toán nhằm tăng tốc độ xây dựng miền làm việc cho phép. Bình thƣờng chọn độ chính xác lớn để chƣơng trình có thể tính toán trong thời gian thực (online), khi quan sát thấy điểm làm việc tiến gần đến đặc tính giới hạn nên chọn lại độ chính xác bé để có thể đánh giá chính xác độ dự trữ hiện tại nhằm tìm các biện pháp điều khiển thích hợp để tăng độ dự trữ ổn định cho hệ thống. - Hướng dẫn sử dụng: Tóm tắt một số hƣớng dẫn nhanh để sử dụng phần mềm. 3.2. Đánh giá khả năng ổn định của hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 Để đánh giá ảnh hƣởng của công suất các nút phụ tải đến khả năng ổn định tĩnh của hệ thống, thực hiện chạy chƣơng trình GSOD ở chế độ cao điểm (công suất các nút tải lớn hơn 60% công suất cực đại), lần lƣợt khảo sát miền làm việc của các nút tải [5]. Kết quả cho thấy các nút gần nguồn công suất lớn nhƣ Sơn La, Hoà Bình, Phú Mỹ miền làm việc cho phép khá rộng lớn hơn miền làm việc theo điều kiện giới hạn khả năng tải của MBA (hình 7a), do đó trong vận hành việc thay đổi công suất các nút nầy hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến khả năng ổn định của hệ thống. Các nút nằm trên tuyến đƣờng dây 500kV liên lạc Bắc - Nam nhƣ Hà Tĩnh, Vũng Áng, Đà Nẵng có miền làm việc cho phép hẹp, đƣờng đặc tính giới hạn ổn định giao cắt với đƣờng đặc tính giới hạn khả năng tải của MBA (hình 7b), do Giới hạn ổn định Giới hạn khả năng tải MBA Hình 7a Giới hạn ổn định Giới hạn khả năng tải MBA Hình 7b Hình 8a Hình 8b TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 38 đó trong vận hành phải thƣờng xuyên giám sát độ dự trữ ổn định của các nút này. Cũng qua khảo sát cho thấy miền làm việc cho phép thay đổi theo trào lƣu công suất trong hệ thống, có thể mở rộng miền làm việc cho phép bằng cách tăng công suất phát các nhà máy hoặc bù công suất phản kháng các nút lân cận. Ví dụ miền làm việc cho phép của nút Vũng Áng ở chế độ cao điểm nhƣ hình 8a, nếu bù công suất phản kháng cho nút Hà Tĩnh 200Mvar và nút Đà Nẵng 200Mvar thì miền làm việc đƣợc mở rộng nhƣ hình 8b. Khi quan sát thấy điểm làm việc tiến gần đến đƣờng đặc tính giới hạn ổn định (độ dự trữ ổn định bé), có thể thực hiện bù công suất phản kháng hoặc sa thải phụ tải tại nút khảo sát để dịch chuyển điểm làm việc cách xa đặc tính giới hạn (tăng độ dự trữ ổn định). Ví dụ ứng với phụ tải nút Đà Nẵng là (630 +j450) MVA thì điểm làm việc lân cận biên giới ổn định nhƣ hình 9a, nếu thực hiện bù một lƣợng công suất phản kháng 200MVar thì điểm làm việc dịch xa đặc tính giới hạn ổn định nhƣ hình 9b. 4. Kết luận Sử dụng modul tính toán của chƣơng trình CONUS [2], bài báo đã xây dựng đƣợc chƣơng trình GSOD cho phép đánh giá một cách trực quan độ dự trữ ổn định tĩnh theo công suất các nút phụ tải của hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015. Thực tế vận hành công suất phụ tải thƣờng xuyên thay đổi theo thời gian, chƣơng trình giúp cho ngƣời vận hành đánh giá đƣợc độ dự trữ cần thiết khi thực hiện tăng giảm công suất tại một nút bất kỳ, đồng thời cảnh báo những trạng thái nguy hiểm có thể dẫn đến mất ổn định hệ thống gây mất điện trên diện rộng. Bằng cách thao tác điều chỉnh trên chƣơng trình mô phỏng vận hành hệ thống điện để mở rộng miền làm việc cho phép hoặc dịch chuyển điểm làm việc cách xa đƣờng đặc tính giới hạn ổn định, từ đó tìm đƣợc phƣơng án điều khiển tối ƣu để nâng cao độ dự trữ ổn định cho các trạng thái đƣợc cảnh báo là nguy hiểm. Trong trƣờng hợp máy tính đƣợc kết nối với hệ thống SCADA để thu nhận thông tin về thông số vận hành của hệ thống điện thực tế cung cấp cho chƣơng trình GSOD. Khi đó, chƣơng trình cho phép nhân viên vận hành giám sát độ dự trữ ổn định của hệ thống điện đang vận hành trực tiếp trên màn hình máy tính, đồng Hình 9a Hình 9b TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 39 thời nhanh chóng phát hiện đƣợc các trạng thái nguy hiểm để tìm cách điều khiển nhằm đảm bảo ổn định cho hệ thống. Tuy nhiên để có thể giám sát độ dự trữ ổn định trong thời gian thực (online), cần có một số xử lý trong thuật toán để tăng tốc độ tính toán của chƣơng trình, sử dụng máy tính có cấu hình mạnh, đồng thời phải cập nhật tất cả các thông số hệ thống theo đúng sơ đồ thực tế đang vận hành. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lã Văn Út, Ngô Văn Dƣỡng (1998), Đánh giá ổn định Hệ thống điện hợp nhất qua các tiêu chuẩn thực dụng, Tạp chí khoa học và công nghệ số 16/1998. [2] Ngô Văn Dƣỡng (2002), Phân tích nhanh tính ổn định và xác định giới hạn truyền tải công suất trong hệ thống điện hợp nhất có các đường dây siêu cao áp, Luận án tiến sỹ. [3] Đinh Thành Việt, Ngô Văn Dƣỡng, Lê Hữu Hùng, Khảo sát quan hệ công suất tác dụng và điện áp tại nút tải để đánh giá giới hạn ổn định điện áp, Tạp chí Khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng số 6(23)/2007. [4] Viện năng lƣợng - Tổng công ty Điện lực Việt Nam (2005), Tổng sơ đồ phát triển điện lực giai đoạn 2006-2015 có định hướng đến 2025, Hà Nội. [5] Nguyễn Hồng Sơn (2007), Nghiên cứu đánh giá độ dự trữ ổn định tĩnh cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 trong thời gian thực, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật. [6] Operation Group Report, Operation report on May 2005, December 2006 and September 2007, National Load Dispatch Center – EVN, Việt Nam. [7] C.W. Taylor (1994), Power System Voltage Stability, McGraw-Hill, New York. [8] P. Kundur (1994), Power System Stability and Control, McGraw Hill, New York.