Luận án: Đánh giá ảnh hưởng yếu tố bất định đến sự làm việc an toàn của hệ thống điện Việt Nam

Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội nói chung và khoa học công nghệ nói riêng thì nhu cầu năng lượng cũng ngày một gia tăng trong đó năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng. Ngày nay, các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời… ngày càng được chú trọng phát triển vì những lợi ích thiết thực mang lại từ các nguồn này đặc biệt là yếu tố môi trường. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích mang lại, các nguồn năng lượng này chứa đựng nhiều yếu tố bất định (uncertainty) do bản chất ngẫu nhiên của nó cộng với những yếu tố bất định vốn có tồn tại trong HTĐ (như sự cố ngẫu nhiên của các phần tử trong hệ thống, sự biến đổi của phụ tải…) gây ra nhiều khó khăn cho việc phân tích, tính toán HTĐ. Do đó, đối với các HTĐ ngày nay, việc đề xuất một giải pháp phân tích, tính toán phù hợp có xét đến các yếu tố bất định là rất cần thiết.

Để đảm bảo cho HTĐ vận hành an toàn, trong quá trình vận hành cần phải tính toán kiểm tra thông số chế độ của hệ thống so với các giá trị cho phép tương ứng với các trạng thái vận hành khác nhau, qua đó đánh giá mức độ an toàn của hệ thống và tìm giải pháp nâng cao khả năng vận hành an toàn cho HTĐ. Để tính toán xác định các thông số chế độ (điện áp nút, dòng điện và công suất truyền tải trên đường dây, góc pha…) của HTĐ thường sử dụng bài toán giải tích mạng điện dựa trên thuật toán Newton-Raphson hoặc Gauss-Seidel, trên cơ sở đó đã có nhiều phần mềm tính toán được xây dựng như: PSS®SINCAL, PSS/E, PSS/ADEPT, PowerWorld, Conus, ETAP, DIgSILENT PowerFactory… và các phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi trong tính toán thiết kế và quản lý vận hành HTĐ. Đối với các phần mềm tính toán phân tích chế độ làm việc của HTĐ, với một bộ dữ liệu đầu vào gồm các thông số vận hành (công suất phụ tải, công suất phát của máy phát.), thông số hệ thống (tổng trở đường dây, tổng trở máy biến áp…) và cấu trúc lưới (trạng thái làm việc của các thiết bị và các đường dây liên kết…) là những giá trị cố định thì kết quả tính toán là bộ thông số chế độ (điện áp nút, dòng điện và 1 công suất truyền tải trên đường dây, góc pha…) của HTĐ cũng có các giá trị cố định. Để tính toán đánh giá mức độ an toàn và tìm giải pháp nâng cao độ tin cậy vận hành cho HTĐ, các phương pháp hiện nay thường chọn bộ dữ liệu đầu vào ứng với chế độ nặng nề nhất (sự cố đường dây, MBA, MF, phụ tải cực đại….) nên thông số chế độ là các giá trị nguy hiểm.

Thực tế vận hành HTĐ cho thấy các chế độ này chỉ xảy ra với xác suất bé, cho nên việc căn cứ theo các thông số chế độ nguy hiểm này để tính toán đề xuất giải pháp nâng cao độ tin cậy sẽ tăng vốn đầu tư và không mang lại hiệu quả kinh tế. Trong quá trình vận hành các thông số vận hành và cấu trúc hệ thống điện thường thay đổi một cách ngẫu nhiên. Tùy theo đặc điểm của hệ thống điện, các hộ phụ tải và của nhà máy điện đặc tính ngẫu nhiên của cấu trúc lưới, công suất phụ tải và công suất phát của nhà máy điện có thể tuân theo những qui luật nhất định. Đặc biệt, đối với các HTĐ ngày nay khi kết nối thêm các nguồn năng lượng mới như gió, mặt trời,.

thì công suất phát của các nguồn này rất phức tạp, luôn biến đổi rất nhanh và chứa đựng các yếu tố bất định. Để tính toán, phân tích và đánh giá mức độ an toàn của hệ thống điện có xét đến các yếu tố bất định của thông số vận hành và cấu trúc lưới cần thiết phải có một phương pháp tính toán phù hợp. Phương pháp tính toán này phải tích hợp đầy đủ các yếu tố bất định của công suất nguồn, công suất phụ tải và sự thay đổi cấu trúc lưới do sự cố ngẫu nhiên các phần tử. Khi đó các thông số chế độ HTĐ như điện áp, dòng điện và công suất truyền tải trên các đường dây…cũng thay đổi một cách ngẫu nhiên.

Trên cơ sở bộ số liệu thu thập được trong quá trình vận hành HTĐ, bằng các phương pháp xác suất thống kê cho phép tìm ra được qui luật thay đổi của các thông số vận hành và cấu trúc hệ thống, đây là thông tin đầu vào bài toán giải tích mạng điện, kết quả tính toán sẽ tìm được qui luật thay đổi của các thông số chế độ. Căn cứ vào qui luật thay đổi của các thông số chế độ, ứng với các chế độ vận hành thực tế cho phép đánh giá được mức độ an toàn của HTĐ có xét đến các yếu tố bất định của nguồn, tải và cấu trúc lưới. Phương pháp tính toán cho phép đánh giá được xác suất tồn tại các chế độ nguy hiểm (các thông số điện áp, dòng điện và công suất truyền 2 tải vượt giá trị cho phép), tùy theo đặc điểm của lưới điện và yêu cầu của phụ tải để tính toán đề xuất giải pháp nâng cao độ an toàn phù hợp cho HTĐ. Trên cơ sở các phân tích đó cho thấy đề tài luận án “Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bất định đối với sự làm việc an toàn của Hệ thống điện Việt Nam” là rất cần thiết và phù hợp với yêu cầu thực tế hiện nay.

Tổng quan tình hình nghiên cứu Để đánh giá mức độ làm việc an toàn của HTĐ thì trước hết phải tính toán được các thông số chế độ sau đó đối chiếu với giới hạn cho phép của các thông số để đánh giá và từ đó đề ra các giải pháp xử lý, đảm bảo an toàn cho hệ thống trong các trường hợp có nguy cơ xảy ra mất an toàn. Ở Việt Nam từ trước đến nay phương pháp tính toán trào lưu công suất (tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện) truyền thống [1, 2] là công cụ được sử dụng để xác định các thông số chế độ. Tuy nhiên trong quá trình tính toán, phương pháp truyền thống chỉ tính toán với công suất bơm vào các nút (do phụ tải, nguồn, v.) là các giá trị cố định (hằng số) và cấu trúc lưới đã biết trước do đó các yếu tố biến đổi, các yếu tố bất định (do sự thay đổi của tải, nguồn, cấu trúc lưới như sự cố ngẫu nhiên của đường dây và các thiết bị) không được xét đến. Đây là nhược điểm lớn nhất của phương pháp tính toán trào lưu công suất truyền thống.

Nhằm khắc phục nhược điểm trên, công cụ tính toán trào lưu công suất áp dụng phương pháp xác suất được đề xuất và trở thành công cụ tính toán rất hiệu quả trong đó tất cả các yếu tố bất định trong HTĐ được mô tả bằng các quy luật xác suất [8] và tích hợp vào trong quá trình tính toán. Phương pháp này được đề xuất lần đầu tiên bởi Borkowska vào năm 1974 [14] và kể từ đó nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay lĩnh vực này chưa được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng giải quyết các vấn đề trong HTĐ Việt Nam đặc biệt là phân tích, đánh giá nguy cơ mất an toàn cho HTĐ trong quá trình vận hành. Một cách tổng quan, tính toán trào lưu công suất áp dụng phương pháp xác 3 suất có thể phân chia thành ba nhóm phương pháp chính: phương pháp giải tích, phương pháp xấp xỉ và phương pháp số.

a) Phương pháp giải tích  Đặc điểm: Phương pháp giải tích [10, 11, 38, 47, 62, 70, 76, 79, 80, 83, 85] sử dụng các thuật toán, các kỹ thuật về giải tích như: tích chập (convolution) [10, 11, 79], nữa bất biến (cumulant) [38, 60, 70, 76, 80, 83, 85]. Áp dụng các kỹ thuật giải tích này kết hợp với mối quan hệ vào-ra của bài toán cho phép xác định được hàm phân bố của biến ngẫu nhiên đầu ra (các thông số chế độ như điện áp nút, dòng điện và công suất truyền tải trên đường dây, góc pha…) theo các thông số hệ thống (tổng trở đường dây, tổng trở máy biến áp…) và các quy luật phân bố từ các biến ngẫu nhiên đầu vào của công suất phụ tải, công suất phát của máy phát truyền thống và các nguồn năng lượng mới (như gió, mặt trời nếu có), sự làm việc của các thiết bị và các đường dây liên kết. Quan hệ vào-ra của bài toán tính toán trào lưu công suất là quan hệ phi tuyến. Tuy nhiên, phương pháp giải tích chỉ thực hiện với quan hệ vào-ra của bài toán là quan hệ tuyến tính.

Do đó trước khi sử dụng các kỹ thuật giải tích quan hệ vào-ra được tuyến tính hóa sử dụng các phương pháp khai triển như khai triển McLaren, Taylor.  Ưu điểm: Ưu điểm chung của phương pháp giải tích là tính toán cho kết quả rất nhanh. Trong hai phương pháp dùng kỹ thuật convolution và cumulant, phương pháp convolution [10, 11, 79] tính toán nặng nề hơn nên cần nhiều dung lượng bộ nhớ và cho kết quả chậm hơn so với phương pháp cumulant. Phương pháp cumulant [38, 60, 70, 76, 80, 83, 85] dùng phổ biến hơn phương pháp convolution.

Phương pháp cumulant thường dùng kết hợp với các kỹ thuật khai triển như khai triển Gram- Charlier (Gram-Charlier expansion) [8, 9, 11, 80, 83, 85], khai triển Cornish-Fisher (Cornish-Fisher expansion) [76, 60] để đạt được hàm phân bố cho các biến đầu ra. 4 Nhờ ưu điểm tính toán nhanh nên phương pháp giải tích có thể dùng để tính toán cho các hệ thống điện lớn trong thực tế.  Nhược điểm: Phương pháp giải tích có các nhược điểm chính sau đây: Do dùng các kỹ thuật để tuyến tính hóa quan hệ vào-ra nên độ chính xác của phương pháp giải tích bị ảnh hưởng nhiều khi biến đầu vào biến đổi trong một phạm vi rộng như công suất đầu ra của các nguồn năng lượng gió; Phương pháp giải tích dùng các kỹ thuật khai triển như Gram-Charlier, Cornish-Fisher và các kỹ thuật này cho độ chính xác cao nếu các hàm phân bố của các biến đầu vào là phân bố chuẩn (Gausian/Normal distribution) [9, 20] hoặc gần với phân bố chuẩn. Tuy nhiên, đối với các HTĐ thực tế hàm phân bố của các biến đầu vào thường tuân theo các quy luật phân bố khác với phân bố chuẩn (non- Gausian distribution) cho nên kết quả đạt được khi áp dụng trong thực tế bị hạn chế.