Ứng dụng công nghệ Synchrophasor trong ngành điện lực

Bên cạnh việc lựa chọn nghiên cứu sử dụng công nghệ Synchrophasor theo dự án nghiên cứu và phát triển do Liên Bang tài trợ kinh phí; OG&E còn dựa trên điều kiện thuận lợi đó là việc tận dụng cơ sở hạ tầng và các thiết bị có sẵn. Cho đến năm 2008, Công ty đã  lắp đặt hàng chục bộ đo lường pha (phasor measurement units - PMUs). Nhiều PMUs được lắp đặt ở những khu vực có hệ thống thông tin liên lạc tốc độ cao đáp ứng được nhu cầu thu thập các số liệu quan trọng. Cùng lúc đó, OG&E tiến hành triển khai lắp đặt bộ tập trung dữ liệu pha (Phasor Date Concentrator - PDC) và áp dụng công nghệ này. Từ đó đến nay, công ty đã gắn thêm 10 PMUs trên hệ thống, đem lại hơn khả năng giám sát hơn 30% lưới truyền tải.

Khởi đầu

Đã có nhiều bài báo và tạp chí chuyên đề viết về công nghệ Synchrophasor và những lợi ích tiềm năng. Hầu hết các bài báo tập trung vào việc giải quyết các vấn đề cục bộ hoặc liên kết như hiển thị diện rộng hoặc dự đoán sự cố mất điện. Tuy nhiên đối với OG&E, mục tiêu là sử dụng PMUs như một công cụ để xác định và giải quyết các vấn đề xảy ra hàng ngày liên quan đến công tác vận hành tại cấp độ từng đơn vị riêng biệt.

Đối với hầu hết các dự án công nghệ mới, giai đoạn phát triển xảy ra khi có thêm sự hiểu biết về các ứng dụng tiềm năng và thực tiễn của công nghệ đó. OG&E bắt đầu bằng các PMU bao gồm 01 rơle SEL - 3306 PDC và 08 rơle bảo vệ đường dây SEL - 421. Các dữ liệu thực Synchrophasor được chuyển đến phần mềm khách hàng SEL SynchroWAVe thông qua PDC. OG&E nhanh chóng nhận ra nhu cầu cần phân tích chuyên sâu hơn các dữ liệu liên quan đến các sự kiện được quan tâm. Tuy nhiên ở thời điểm đó, phần mềm SynchroWAVe không có khả năng xem lại các dữ liệu lịch sử (historical data). Chính vì vậy, Công ty đã phát triển một phần mềm để lưu trữ các dữ liệu dưới dạng cơ sở dữ liệu Microsoft SQL bên cạnh ứng dụng phần mềm tùy chọn là PhasorView; qua đó có thể hiển thị dữ liệu thực và quá khứ.

Bằng việc triển khai 8 PMUs trên lưới 345kV và 500kV, OG&E có thể quan sát ở tốc độ 30 samples/s và lập đường cơ sở để đánh giá các điều kiện vận hành bình thường. Công ty cũng hợp tác với North American Sychrophasor Initiative (NASPI) và bắt đầu chuyển dữ liệu về trang chủ tại Tennessee Valley Authority (TVA). Điều này cho phép OG&E sát nhập phần lưới điện do công ty quản lý với toàn mạng lưới liên kết phía đông US. Từ đây, OG&E có thể quan sát được tác động của các sự kiện trên lưới ảnh hưởng đến bên ngoài và ngược lại.

Phân tích sự nhiễu động (Disturbance Analysis)

Một trong những quan sát đầu tiên là ảnh hưởng lan rộng của sự cố lưới truyền tải. Sự cố ở 138kV và 69 kV có thể quan sát được trên hệ thống EHV và có thế tác động đến khách hàng ở lưới phân phối cách xa khoảng 322 km. Để cải thiện khả năng phân tích nhiễu động, OG&E đã liên kết cơ sở dữ liệu synchrophasor lưu trữ với cơ sở dữ liệu liên quan đến các nhiễu động lưới truyền tải tại Trung tâm điều khiển vận hành. Nhờ vậy, có thể phân tích nhanh các nhiễu động và ảnh hưởng của chúng đến hệ thống; qua đó dễ dàng kiểm tra hoạt động của hệ thống bảo vệ.

Từ các dữ liệu synchrophasor, OG&E có thể xác định nhiễu động được loại trừ bằng việc gửi tín hiệu cắt nhanh (high speed) hoặc có thời gian (step-distance). Công ty phát hiện tín hiệu có thời gian hoạt động tại một số vị trí yêu cầu tín hiệu cắt nhanh. Công ty đã tiến hành điều tra tại hiện trường và thực hiện biện pháp khắc phục để đảm bảo thiết bị bảo vệ chính cắt nhanh hoạt động chuẩn xác.

Điều tra sự kiện hệ thống (System event investigation)

Các bước phát triển tiếp theo yêu cầu OG&E lắp đặt thêm PMUs và bắt đầu sử dụng PDC mở của “Grid Protection Alliance” để tập trung dữ liệu. Các dữ liệu sau đó được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu của SQL server. Do phần lớn 500 đến 600 sự kiện nhiễu động lưới truyền tải hàng năm xuất phát từ ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, OG&E đã đưa lớp không gian địa lý vào lưới truyền tải và các trạm biến áp, cùng với các dữ liệu radar về thời tiết và sấm sét. Công ty có thể nhanh chóng phân biệt được nhiễu động trên lưới truyền tải liên quan đến bão hoặc sấm sét, và xác định được vùng ảnh hưởng. Theo đó, hệ thống synchrophasor trở thành một bộ ghi các sự cố diện rộng của công ty. Các kỹ sư có thể xác định nguồn gây ra nhiễu động một cách nhanh chóng thông qua việc sử dụng các dữ liệu synchrophasor diện rộng, các bộ ghi sự cố kỹ thuật số ở cấp trạm biến áp và dữ liệu rơ le kỹ thuật số để điều tra chuyên sâu.

Tính năng ưu việt của phần mềm PhasorView là tất cả các dữ liệu có thể truy xuất được mà không cần phải định rõ nguồn dữ liệu. Người dùng có thể nhìn thấy sự gia tăng xác lập của các dữ liệu thực hoặc phóng to tức thì đến ngày, tuần, tháng hoặc năm gần nhất. Bất cứ PMU, hoặc kết hợp giữa các PMUs, có thể chọn từ các “check box” hoặc từ mảng hệ thống thông tin địa lý của chương trình. Tại chế độ lựa chọn PMU mặc định, chương trình tự động chọn 08 PMUs trải dài khắp hệ thống EHV để cung cấp cái nhìn bao quát. Một khi nhiễu động được phát hiện từ các dải sụt áp, người dùng có thể phóng to nhiễu động và lựa chọn 8 PMUs mới hiển thị sự sụt áp nghiêm trọng nhất. Điều này cho phép user có thể xác định vị trí của nguồn nhiễu động và tiến hành điều tra.

Phát hiện hư hỏng thiết bị (Equipment failure discovery)

Một chức năng quan trọng khác của dữ liệu synchrophasor là khả năng phát hiện hư hỏng của thiêt bị trên lưới, điều mà hầu như không thực hiện được qua hệ thống SCADA. Đã có nhiều trường hợp phát hiện giá trị điện áp thứ tự thuận tăng vọt ngẫu nhiên hoặc giảm xuống còn 60% giá trị danh định.

Nguyên nhân là do các mối liên kết lỏng tại các khóa an toàn hoặc ở các hộp đầu cuối, đầu chụp trên bệ chì bị lỏng, động vật gây hư hỏng dây nối và nổ chì máy biến thế, …. Trong một số trường hợp, sự cố có thể do tác động nhầm của hệ thống bảo vệ. Ngay cả cá rơle số hiện đại cũng có lúc không phát hiện được những trường hợp trên, nhầm lẫn logic thành phần có hướng (directional element logic) hoặc không phát hiện mất điện áp (loss of potential).

Nếu trạm biến áp có nhiều thanh cái hoặc PTs (potential transformer) đường dây, việc lỏng mối nối thiết bị nhất thứ hoặc hư CCVT có thể được phát hiện. Đó là vì các tín hiệu gián đoạn sẽ xuất hiện trên mỗi PT tại trạm. Cách khắc phục tốt nhất trong các trường hợp này là cử một đội chức năng để tiến hành xử lý sự cố và ngăn ngừa tác động nhầm của hệ thống bảo vệ ngay khi sự cố được phát hiện.

Đánh giá tính ổn định của hệ thống (Stability System)

Phương thức truyền thống để đánh giá sự ổn định của hệ thống là tiến hành mô phỏng gián tiếp (off-line simulation) các tình trạng khác nhau của hệ thống bên trong một mô hình ổn định động (dynamic stability model). Tuy nhiên, những mô hình này không phải lúc nào cũng thể hiện được tính phức tạp của hệ thống liên thông (interconnected system). Ngay sau khi đưa PMU đầu tiên vào vận hành, OG&E đã phát hiện những dao động điện áp bất thường trên hệ thống EHV ở tần số 0.2 Hz. Những dao động này hầu hết xuất phát từ một trong những PMUs đặt gần nhà máy phát điện sử dụng khí thiên nhiên. Tín hiệu quan sát thể hiện rõ nhất trên biểu đồ công suất phản kháng MVAR, do đó vấn để có thể liên quan đến công tác điều khiển phát công suất.

Qua nghiên cứu những bức ảnh chụp nhanh có ghi rõ ngày và tháng sự kiện xảy ra, các kỹ sư của OG&E đã liên hệ với ban quản lý nhà máy nhằm xác định nguyên nhân có phải liên quan đến bất cứ hoạt động sản xuất hàng ngày của nhà máy. Ban quản lý nhà máy đã tìm và khẳng định nguyên nhân gây ra dao động điện áp trên lưới là do sơ đồ điều khiển VAR của một tổ phát điện. Quy trình khởi động đã đưa tổ phát này vào chế độ điều khiển VAR; sau đó đã được chuyển sang chế độ điều khiển điện áp sau khi tổ phát có sự đồng bộ. Chính việc chuyển chế độ điều khiển từ VAR sang điện áp đã chấm dứt sự dao động của điện áp trên lưới.

Nhà máy đã có thể giải quyết vấn đề điều khiển với tổ phát điện này cũng như ngăn ngừa được các sự cố gây mất tính ổn định có thể xảy ra trong tương lai. Nếu không có thiết bị đo lường chính xác synchrophasor, hiện tượng bất thường đã không thể xử lý kịp thời và hoàn toàn có thể dẫn đến tác động lan rộng hơn trên hệ thống.  

Các vấn đề phát điện bằng năng lượng gió (Wind Generation Issues)

OG&E, cùng với nhiều công ty Điện lực khác trong khu vực Great Plains sở hữu nguồn năng lượng gió có tiềm năng khá lớn. Tính đến nay đã có rất nhiều nhà máy điện sử dụng năng lượng gió (wind farm facilities)  có công suất từ 100MW đến 250MW được đưa vào vận hành, và còn rất nhiều dự án đang trong giai đoàn ĐTXD. Hiện tại, lượng công suất phát từ nguồn năng lượng gió tại Southest Power Pool đạt khoảng 30GW; là một trong những nguồn năng lượng sạch lớn nhất tại Mỹ. Việc đấu nối lượng công suất lớn này vào lưới điện hiện hữu của khu vực thực sự là một thử thách lớn. Công nghệ Synchrophasor có thể cung cấp những công cụ cần thiết để triển khai công tác trên với độ tin cậy cao.

Mỗi một nhà máy điện sử dụng năng lượng gió khi đấu nối vào lưới điện của OG&E sẽ được lắp đặt kèm với các bộ PMUs ngay tại điểm đấu nối. Trong tháng 12/2010, Công ty bắt đầu quan sát các dao động trên hệ thống truyền tải tại một phần lưới điện của vùng Tây Bắc Oklahoma. Các dao động này xảy ra khi phát điện trên 80% công suất định mức. Giá trị của các dao động điện áp vào khoảng 5% ở tần suất dao động là 14Hz. Mức dao động điện áp này vượt quá các tiêu chuẩn cho phép về mức độ nhấp nháy điện áp. Qua quan sát đã xác định khu vực bị ảnh hưởng là tại điểm cuối nơi khách hàng sử dụng điện.

Nguyên nhân của vấn đề trên được xác định là do một số tổ máy phát phong điện (wind farms). Hiện công ty đang phối hợp với nhà sản xuất tua-bin gió để khắc phục tình trạng này. Với hệ thống SCADA truyền thống và không có PMUs sẽ không thể phát hiện được hiện tượng này và vấn đề có thể cần nhiều thời gian hơn để xử lý. Lợi ích của việc lắp đặt các bộ PMUs tại điểm đấu nối các tổ máy phát phong điện giúp khách hàng nhận được nguồn năng lượng sạch trong khi vẫn duy trì được mức độ ổn định của hệ thống, đảm bảo cung cấp điện liên tục.

Hỗ trợ vận hành (Operation Supports)

Một ứng dụng khác là sự tiện dụng các dữ liệu về pha (phasor data)  đối với từng nhóm khác nhau. Thông tin thu thập được cung cấp nhận thức về hiện trạng hệ thống điện cho trung tâm điều khiển; các phân tích nhiễu động/thao tác sai cho kỹ sư bảo vệ và thông tin xử lý sự cố cho cán bộ tại hiện trường.

Một ví dụ điển hình là khi góc lệch pha giữa 2 thanh cái cao áp bất thường, báo hiệu hệ thống đang trong tình trạng quá độ.  Một cuộc điều tra được tiến hành và xác định nguyên nhân là do một số máy biến thế tự ngẫu điện áp siêu cao (EHV transmission autotransformer) đã cô lập, ngừng vận hành để bảo trì. Kết quả là làm quá tải MBT tự ngẫu khác. Điều hành viên lập tức thông báo đến trung tâm điều khiển và ngay lập tức điều độ viên khu vực thực hiện sa thải phụ tải nhằm giảm tải cho MBT cũng như phòng ngừa những hư hỏng có thể xảy ra.

Một ví dụ khác là khi đóng điện nhà máy phát điện năng lượng gió với công suất 100MW. Trạm biến áp tại nhà máy điện được đóng điện nghiệm thu  cùng với các bộ PMUs tại thanh cái 138kV. Tuy nhiên, các giá trị đo lường của PMUs ghi nhận điện áp thứ tự thuận tại thanh cái gần như bằng 0. Các kỹ sư đã tiến hành kiểm tra dữ liệu của rơle bảo vệ và phát hiện có điện áp thứ tự nghịch. Nguyên nhân được xác định là do nghịch chuyển pha A và pha C của mạch thứ cấp.

Kế hoạch trong tương lai (Future plans)

Với những lợi ích thiết thực của PMUs, Công ty OG&E dự định tiếp tục đầu tư lắp đặt PMUs tại các vị trí mà cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc có thể đáp ứng được. Có thể nhận định rằng công nghệ Synchrophasor tiến tới hoàn thiện công tác đo lường thu thập số liệu về lưới điện của hệ thống SCADA truyền thống, cung cấp thêm khả năng giám sát hệ thống và cải thiện độ ổn định cấp điện cho khách hàng. Một vài nhận định khác cho rằng khả năng đo lường của PMUs sẽ được áp dụng cho toàn bộ lưới điện, và OG&E tin tưởng rằng những thay đổi đã được dự đoán trong vận hành lưới điện sẽ hiện thực hóa nhận định trên.

Với lượng dữ liệu thu thập được từ PMUs, cần thiết triển khai một quy trình tự động hóa để phát hiện các bất thường của hệ thống và xử lý kịp thời trước khi làm ảnh hưởng đến khách hàng sử dụng điện và phần lưới điện còn lại. Hiện tại các thuật toán phân tích dữ liệu đang được áp dụng và nhiều hơn nữa đang được nghiên cứu phát triển để phát hiện tình trạng hư hỏng của thiết bị và các dao động có thể ảnh hưởng đến sự ổn định và tin cậy của hệ thống.

Công nghệ synchrophasor cung cấp giải pháp để biến lưới điện truyền tải trở nên thông minh hơn và cải thiện độ tin cậy. OG&E sẵn sàng áp dụng công nghệ này ở mức độ tối đa và khuyến cáo các Công ty Điện lực khác nghiên cứu triển khai. 

Nguồn CPC/T&D November 2011