SCIENCE TECHNOLOGY
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆNÁPTHỜI GIAN THỰC
VỚI VIỆC SỬ DỤNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT DIỆN RỘNG
EVALUATE REAL TIME VOLTAGE STABILITY USING WIDE AREA MONITORING SYSTEM
Nguyễn Nhất Tùng1,*,Phạm Thành Nam1
TÓMTẮT
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điện cả về quy mô và chất lượng,
với các trang thiết bị công nghệ cao,đòi hỏi phải có các công cụ đủ mạnh để đối
phó với các rối loạn trong quá trình vận hành của hệ thống. Các rối loạn này có
thể do sựquá tải trên các đường dây tải điện, kéo theo sự sụp đổ điện áp và tan rã
hệ thống. Khi có sự xáo trộn lớn xảy ra, các giải pháp nhằm bảo vệ và kiểm soát
hệ thống đóng vai trò quan trọng, để ngăn chặn sự sụp đổ và khôi phục hệ thống
Hệ thống điện (HTĐ) càng ngày càng trở nên phức tạp
với sự đa dạng của các loại nguồn điện, bao gồm cả các
nguồn năng lượng tái tạo, sự tăng lên quá nhanh của phụ
tải, dẫn đến sự vận hành gần giới hạn ổn định của nó. Thêm
vàođó, khi tầm vóc của các HTĐ quốc gia khôngcòn nữa bởi
sự xuất hiện của HTĐ liên kết đa quốc gia thì điều này càng
trở lại trạng thái bình thường, giảm thiểu ảnhhưởng của cácsự cố. Với cáctiến
trở lên phức tạp. Đối với ổn định điện áp, đứng trước các kích
bộ của khoa học công nghệ gần đây, kết hợp với các giải pháp thông tin và truyền
động lớn, kéo theo sự giảm mạnh của điện áp tại các nút,
thông hiện đại, các loại cảm biến mới, cùng với sự đa dạng các loại hìnhsự cố
dẫn đến cácbảovệ sẽ tác động cắtlan truyền mộtsố đường
trên hệ thống điện đã thúc đẩy sự xuất hiện của hệ thống giám sátbảo vệ diện
dây truyền tải và một số phần tử khác, sự sụp đổ hệ thốngsẽ
rộng, sửdụng thiết bị đo lường đồng bộ pha. Bài báo hướng tới việc mô phỏng hệ
xảy ra nếu không có các biện pháp bảo vệ hợp lý [1, 2]. Điều
thống này và phương pháp đánh giá ổn định điện áp trong thời gian thực. Từ các
này đỏi hỏi phải có một cơ cấu bảo vệ mới, đảm bảo giám
nghiên cứuvới sơ đồ tương đương Thevenin, bài báo phân tích đề xuất chỉ số mới
sát liên tục các thôngsố, bảo vệ và điều khiển đáp ứng nhu
NewVSItrong việc giám sát đánh giá ổn định điện áp trong thời gian thực. Các
cầu nhanh chóng của HTĐ. Hệ thống đo lường giám sát diện
kết quả được chứng minh bằng môphỏng trên lướiđiệnchuẩn 39 nút IEEE, sử
rộng WAMS (Wide Area Monitoring System) [9], kết hợp dữ
dụng phần mềm Matlab/ Simulink.
liệu được cungcấp bởi thiết bị đo đồng bộ pha PMU (Phasor
Từ khóa:Hệ thống giám sát diện rộng, ổnđịnh điện áp thời gian thực, thiết bị
đo lường đồng bộ pha.
ABSTRACT
Measurement Unit) là một trong số các giải pháp hữu hiệu
nhằm giải quyết vấn đề này, hình 1. PMU là thiết bị đo kỹ
thuật số có thể được tích hợp trongrơle bảo vệ, thiết bị ghi
sự cố tại các trạm và nhà máy điện, có khả năng đo được dữ
The rapid development of power system, both in terms of scale as well as
technological advances, requires tools to deal with systemic disruptions that
cause overload on transmision lines, dragging down the voltage collapse and
power system disruption for many years. When major disturbances occur,
protection and control solutions play the most important role in preventing
system collapse, restoring the system to normal and minimizing the impact of
incident. New improvements in science, technology, information and
liệu đồng bộ pha (Phasor) trong thời gian thực, tần số, mô
đun và góc pha của dòng điện và điện áp,… theo các tiêu
chuẩn (như IEEE 1344, IEEE C37.118 [3]) vàđượcđồngbộ thời
giancác tín hiệu qua đồng hồ vệ tinhGPS, việc lấy mẫuđồng
bộ trong 1μs [4]. Tín hiệu được kết hợp với các hệ thống
thông tin liên lạc mới, cho phép giám sát, vận hành, kiểm
soát và bảo vệ HTĐtrongkhu vực địalý [10-11].
communications, sensor technologyand the emergence of large-scalehave
spurredapprearance of wide areamonitoring system using phasormeasurement
unit. This article describes the simulation of this device and method of evaluating
real-time voltage stability. Simulation resultsare analyzed, evaluated onIEEE 39
bus system using Matlab /Simulink.
Với khả năng đo với chu kỳ lấy mẫu lên tới 30 - 120
mẫu/giây, các PMU sẽ cung cấp một số lượng lớn dữ liệu
được đồng bộ thời gian thôngqua thiết bị đồng bộ thời gian
GPS. Chúngđược lưu trữ trongcác bộ tập trung dữ liệu pha
PDCs (Phasor Data Conentrator), phân tích và xử lý nhằm
Keywords: Wide area monitoring system, real-time voltage stability, phasor
đánh giá được trạng thái của hệ thống, hình 1. Đồng bộ
mesurement unit.
chính xác thời gian cho phép so sánh chính xác các phép đo
theo thời gian thực và trên các địa điểm cách xa nhau. Các
1Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực
*Email: tungnn@epu.edu.vn
Ngày nhận bài: 25/10/2017
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 30/11/2017
Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2018
xung điện áp và dòng điện đầu vào được lấy từ các biến
dòng và biến áp, được qua các bộ lọc nhằm loại bỏ các
thành phần hài bậc cao. Quá trình lấy mẫu cho ra các giá trị
rời rạc sử dụng phương pháp biến đổi rời rạc Fourier
(Discrete Fourier Transform - DFT) nhằm đạt được ước lượng
phacủathành phần cơ bảncủa điện áp và dòngđiện[11].
Số 44.2018Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
17
i
I E
i
I
V
 
0 1
i i
   
L
L
(5)
L
L L
2
2 2 2 2
2
Z Z
Z
KHOAHỌC CÔNG NGHỆ
của chúng. Các giá trị được biến đổi thành thành phần thực
(r) và ảo (i):
 
VL Vr jV ; IL Ir jIi ;
 
Eth Er jEi ; Zth Rth jXth
(1)
Hình 1. Các thành phần của hệ thống WAMS [10]
Và đưa ra được một phương trình tuyến tính [12]:
Các kết quả nghiên cứu trước đây về ổn định điện áp với
Er
WAMS sử dụng mô hình hệ thống điện tĩnh để đánh giá
khả năng, giới hạn ổn định như phương pháp đường cong
P-V và Q-V, phân tích độ nhạy [5], sử dụng ma trận Jacobian
[6], chỉ số đường dây [7], đánh giá ổn định điện áp bằng các
chỉ số: FVSI, LQP, NSI, VCPI [8]. Các phương pháp trên được
xác định nhờ phân tích chế độ xác lập, (mô hình phân bố
công suất, mô hình động tuyến tính hóa,…), do vậy có một
số hạn chế như: (i) các thuật toán với các thông số không
Ak x Bk 1 0 Ir Ii r Rth Vr (2)
Xth
Để ước lượng các giá trị Er, Ei, Rth và Xth cần ít nhất giá trị
dòng điện và điện áp tại hai thời điểm đo khác nhau.
Nhưng để kết quả chính xác hơn thì có thể sử dụng nhiều
kết quả đo để lọc ảnh hưởng của sự quá độ và nhiễu theo
đổi của HTĐ, điều này có thể dẫn đến những đánh giá
phương trình [12]:
không chính xác trong thời gian thực; (ii) khó đánh giá
được ảnh hưởng của các thiết bị tự động điều chỉnh điện
x (AT A)1(ATb)
(3)
áp như tự động điều chỉnh điện áp máy phát (AVR) hay
điều áp dưới tải (ULTC) tại máy biến áp; (iii) việc phân tích
ổn định điện áp, giám sát HTĐ sẽ trở nên khó khăn khi có
Hình 3
Thevenin.
thể
hiện
đồ
vectơ
mạch
tương
đương
chuỗi sự kiện động xảy ra như sự cố đường dây, mất máy
phát điện hoặc tănghoặc giảm đột ngột một lượng tải lớn;
(iv) khó xét ảnh hưởng của nhiễu lên các số liệu đo lường.
Để cải thiện một số hạn chế trên, phương pháp sơ đồ
tương đương Thevenin sử dụng số liệu thu được từ các
thiết bị đo lường đồng bộ pha và chỉ số đánh giá ổn định
điện ápdựa trên mô hìnhHTĐ diện rộng được đưa ra trong
nghiên cứu này. Nội dung chính của phương pháp là: (i)
ước lượng thông số nguồn điện áp Eth và tổng trở Zth trong
sơ đồ tương đương Thevenin từ các thông số thu được
thông qua các thiết bị đo lường PMU; (ii) tính toán chỉ số ổn
định điện áp NEWVSI cho một số nút tải trong HTĐ. Điều
này cho phép đánh giá điện áp nút gần như online.
2. CƠ SỞ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH
ĐIỆN ÁP
Bằng các thông số đo lường giá trị điện áp (VL) và dòng
điện (IL) tại nút, việc đánh giá sự mất ổn định điện áp được
thông qua một sơ đồ tương đương Thevenin, bao gồm một
nguồn điện áp (ETh) mắc nối tiếp với một tổng trở (Zth) như
hình 2.
Hình 3. Sơ đồ vectơ mạch tương đương Thevenin [13]
Từ định luật Kirchoff: Eth V ZthIL (4)
Phân chia phương trình (4) thành hai thành phần thực
và ảo:
Eth cosRthIL V cos
Eth sinXthIL V sin
Với Eth EthV V 
Bình phương và cộng tương ứng các vế các phương
trình và biến đổi ta có:
Eth VL Zth 2VL Zth cos(th )VL (6)
L L
- Cơ sở đánh giá ổn định điện áp bằngchỉ số VSI
(Voltage Stability Index):
Theo một số kết quả nghiên cứu trước đây [14], khả
năng mang tải tối đa liên quan tới chỉ số ổn định điện áp
VSI (Voltage Stability Index):
Hình 2. Sơ đồ tương đương Thevenin
VSI Zth
L
Các thông số Eth và Zth được ước lượng thông qua
phương pháp bình phương cực tiểu, sử dụng giá trị đo
lường đồng bộ pha về điện áp, dòng điện và góc pha ()
Theo các kết quả nghiên cứu công bố, [14], hệ thống chỉ
ổn định khi 0 < VSI < 1 và khi VSI = 1 ứng với trạng thái
truyền tải đang ở giá trị giới hạn.
18
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Số 44.2018
2
V
2
V
E
.
2
L
2 2
  
2 2
V V
  
E
2
V
2
1
 
L th
E
 
 
V
 
L
SCIENCE TECHNOLOGY
- Tham số đề xuất đánh giá độ ổn định điện áp NewVSI:
“IEEE-Type 1”, với bộ điều tốc được mô phỏng đơn giản với
Thay vào phương trình (6) ta có:
Eth VSI2 2. SI.costh 1
L
2
f VSIVSI2 2VSI.costh 1Vth 0
(7)
các khối có sẵn trong thư viện của
Simulink/SimPowerSystems. Riêng máy phát ở nút 39 là tập
hợp của một số lượng lớn máy phát điện thì được thực hiện
theo nguyên tắc thay thế tương đương.
VL,IL, VPhase, IPhase từ các PDCs
Theo tính chất nghiệm của phương trình bậc hai (7) với
ẩn số VSI ta có:
f(VSI 0)*f(VSI=1)0
Biến đổi sang dạng (1)
1Eth 22costh Eth 0
L L
2
1th 22costh 
L
Thanhghi (ngiá trị)
Vr ; Vi ; Ir ;Ii
Eth
V2 22cos 
Vậy: (8)
th 1
L 2 1cos th 
Phương trình (8) đưa ra một chỉ số khác, giúp đánh giá
Bắt đầu
Xác định ma trận A, B, X (2)
khả năngmang tải của hệ thống và tình trạng ổn định điện
áp của hệ thống:
Ước lượng Er , Ei , Rth ,Xth từ ma trận X theo (3)
NewVSI Eth
V 2(1cos( th ))
Với Zth Zthth;  VPhase IPhase
(9)
Tính toán Eth, Zth, th,
n giá trị tiếp
theo của
Vr ; Vi ; Ir ;Ii
Theo đó, cùng quan điểm với chỉ số VSI, hệ thống được
đánh giá ổn định điện áp thông qua đánh giá chỉ số đề xuất
Tính chỉ số NewVSI cho nút tải, (9)
NewVSI, cụ thể như sau:
-NewVSI <1: hệ thống ổn định;
-NewVSI =1: hệ thống ở giới hạn ổn định;
Max {NewVSI} ≥ 1
No
-NewVSI >1: hệ thống mất ổn định.
Lưu đồ thuật toán đánh giá ổn định điện áp ngắn hạn
Yes
thời gian thực dựa trên phương pháp sơ đồ tương đương
Thevenin được nêu ra ở hình 4, theo trình tự tính toán và
Cảnh báo
với các chỉ số tương ứngvới các phương trình đã phântích
ở phầntrên. Từ việc ước lượng thông số sơ đồ này sử dụng
phương pháp bình phương cực tiểu, chỉ số NewVSI được
tính toán.
Như vậy, giải pháp mới có thể xem xét đánh giá sự ổn
định điện áp trong thời gian thực là sử dụngchỉ số NewVSI.
Các kết quả trong phần tiếp theo, áp dụng với lưới điện
mẫu IEEE sẽ cho thấy tính khả thi của chỉ số đánh giá ổn
định điện áp NewVSI này.
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN
Việc ứng dụng phương pháp đánh giá ổn định điện áp
theo chỉ số NewVSI được thực hiện trên lưới điện chuẩn
IEEE 39 nút “New England” (hình 5). Lưới điện với 32 đường
dây truyền tải, 24 máy biến áp và 10 máy phát, cấp điện
cho 19 tải với tổng công suất 6097,1 MW và 1408,9 MVAr.
Các phần tử như đường dây, máy biến áp, máy phát điện
được mô phỏng với hệ thống kích từ lựa chọn theo chuẩn
Hình 4. Lưuđồthuật toán đánh giá ổn địnhđiện ápthờigian thực sử dụng
phương pháp sơ đồ tương đương Thevenin
Đối với hệ thống WAMS, các thiết bị đo lường đồng bộ
pha PMU được mô phỏng trên Simulink [16]. Các tín hiệu
dòng điện, điện áp, góc pha dòng điện, góc pha điện áp
được lưu trữ vào thanh ghi. Sau đó, việc tính toán các giá trị
ước lượng Thevenin bằng phương pháp bình phương cực
tiểu, được thực hiện với n mẫu mỗi thông số (hình 6). Trong
nghiên cứu này, các thông số đo ảnh hưởng bởi nhiễu
Gausse được lấy với SNR = 50dB (tỉ số tín hiệu cực đại trên
nhiễu lớn) [14]. Mỗi thông số được lấy 30 giá trị lưu vào
thanh ghi để ước lượng các tham số của sơ đồ tương
đương Thevenin, từ đó tính toán chỉ số đánh giá ổn định
điện áp NEWVSI. Phương pháp được áp dụng với sơ đồ
“New England” 39 nút, với các trường hợp khác nhau dưới
đây kéo theo sự cố mất đi của một số đường dây và máy
phát điện:
Số 44.2018Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
19