Tối thiểu lượng công suất sa thải phụ tải có xét đến yếu tố điều khiển sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống điện
TỐI THIỂU LƯỢNG CÔNG SUẤT SA THẢI PHỤ TẢI
CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ ĐIỀU KHIỂN SƠ CẤP VÀ
THỨ CẤP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
MINIMIZING LOAD SHEDDING IN ELECTRICITY NETWORKS
CONSIDERING THE PRIMARY, SECONDARY CONTROL
Quyền Huy Ánh1, Phạm Hữu Phúc1
1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bài báo này đề xuất phương pháp xác định vị trí và tính toán lượng công suất tải cần sa thải tối
thiểu nhằm khôi phục tần số về phạm vi cho phép khi có sự mất cân bằng công suất nguồn phát
và phụ tải trong hệ thống điện. Trên cơ sở phân tích công suất điều chỉnh sơ cấp của bộ điều tốc
turbine và lượng công suất dự phòng của các máy phát để điều chỉnh thứ cấp, lượng công suất
sa thải phụ tải được tính toán tối thiểu nhằm khôi phục tần số hệ thống điện trong phạm vi cho
phép. Việc tính toán và phân tích khoảng cách pha giữa máy phát bị sự cố với các tải nhằm phân
bố ưu tiên lượng công suất sa thải tại các vị trí nút tải. Nút tải gần máy phát bị sự cố sẽ ưu tiên
sa thải lượng công suất lớn hơn và ngược lại. Ngoài ra, mạng neural nhân tạo được sử dụng
nhằm xác định vị máy phát bị sự cố, lượng sa thải phụ tải cần thiết và đề ra chiến lược điều
khiển theo khoảng cách pha. Hiệu quả của phương pháp đề xuất được thử nghiệm trên sơ đồ hệ
ã ch
thống điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát đ
ứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất.
Từ khóa: load shedding; primary control; secondary control; minimize load shedding, neural
network.
ABSTRACT
This paper proposes a method for determining location and calculating the minimum amount of power
load needed to shed in order to recover the frequency back to the allowable range when the imbalance of
the power source and load in the power system occurs. Based on the consideration of the primary control
of the turbine governor and the reserve power of the generators for secondary control, the minimum
amount of load shedding was calculated in order to recover the frequency of the power system back to the
allowable range. Computation and analysis of the phase electrical distance between the outage generator
and the loads to prioritize distribution of the amount power load shedding at load bus positions. The
nearer the load bus from the outage generator is, the higher the amount of load shedding will shed and
vice versa. In addition, artificial neural network is used to determine the position of the outage generator,
the amount of power load shedding needed and propose the control strategy according to the phase
distance. The effectiveness of the proposed method tested on the IEEE 37 bus 9 generators power system
standard has demonstrated the effectiveness of this method.
Keywords: load shedding; primary control; secondary control; minimize load shedding, neural
network.
sẽ thực hiện ngay các biện pháp điều khiển
để phục hồi tần số về giá trị định mức cho
phép. Trong đó phải kể đến là việc điều
khiển sơ cấp và thứ cấp của các tổ máy phát
điện do các thiết bị điều khiển tự động hoặc
do người vận hành thực hiện [1]. Khi đó,
1. GIỚI THIỆU
Việc mất cân bằng công suất tác dụng
giữa máy phát và phụ tải tiêu thụ gây ra sự
suy giảm về tần số trong hệ thống điện. Hệ
thống giám sát và điều khiển hệ thống điện
đư
công suất phát điện dự phòng quay ợc đưa
yếu tố điều khiển sơ cấp và điều khiển thứ
cấp của các tổ máy phát điện được trình bày.
Đối với phương pháp này, khi xuất hiện sự
cố ngừng máy phát, theo chiến lược điều
khiển sơ cấp bộ điều tốc turbine của các máy
phát sẽ phát thêm lượng công suất bổ xung
vào lưới điện và trong trường hợp tần số hệ
thống không phục hồi về giá trị cho phép thì
vào nhằm khôi phục tần số. Sau khi thực
hiện tất cả các giải pháp điều khiển có thể có
mà tần số của hệ thống vẫn chưa phục hồi về
giá trị cho phép thì sa thải phụ tải được xem
như là giải pháp cuối cùng để phục hồi tần số
và duy trì cân bằng công suất tác dụng giữa
máy phát và phụ tải.
ũng như các máy phát
các nhà máy điều tần, c
Đa số trong thực tế hiện nay vẫn còn sử
dụng sa thải phụ tải dưới tần số như là
phương pháp với chi phí thấp và hiệu quả để
ngăn ngừa việc suy giảm của tần số trong hệ
thống điện [2-3]. Một phương án sa thải phụ
tải tốt là nên sa thải một lượng công suất phụ
tải tối thiểu ngay khi có thể đồng thời thỏa
mãn tất cả các điều kiện ràng buộc để duy trì
tính ổn định của hệ thống.
còn lại sẽ thực hiện chiến lược điều khiển thứ
cấp. Sau khi thực hiện điều khiển thứ cấp mà
tần số vẫn nhỏ hơn giá trị cho phép thì phải
thực hiện sa thải lượng công suất tải tại các
thanh góp. Lượng công suất sa thải này được
xác định thông qua công thức tính toán
nhanh, đơn giản và có giá trị thấp hơn so với
các phương pháp truyền thống khác.
Song song đó, dựa vào phân tích khoảng
cách pha giữa nút máy phát và các nút tải để
phân bố ưu tiên lượng công suất sa thải tại
mỗi nút tải trong hệ thống. Nút tải càng gần
vị trí máy phát bị sự cố thì có khoảng cách
pha càng nhỏ, vì vậy ưu tiên lượng công suất
sa thải tại các nút tải này càng lớn.
Để ước lượng công suất sa thải phụ tải
thường dựa vào độ suy giảm tần số [4] hoặc
ình chuy
phương tr
ển động quay của rotor [5].
Các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống
thường sử dụng các relay sa thải phụ tải dưới
tần số [6] hoặc dưới điện áp [7]. Việc cắt tải
thông thường được thực hiện theo từng bước
dựa trên bảng cắt phụ tải dự kiến được xác
định dựa trên quy tắc chung và kinh nghiệm
Ngoài ra, mạng neural lan truyền ngược
với các thuật toán khác nhau được sử dụng
nhằm xác định máy phát bị sự cố, mạng nơ
ron hồi qui xác định lượng sa thải phụ tải cần
thiết và đưa ra chiến lược điều khiển theo
khoảng cách pha để duy trì ổn định tần số hệ
thống điện khi xảy ra sự cố mất máy phát.
ã có [8]. Các b
đ
ảng này cho biết lượng công
suất tải nên được cắt vào mỗi bước phụ thuộc
vào sự biến đổi của tần số. Điều này có thể
gây ra sa thải quá mức hoặc sa thải thiếu.
Các phương pháp sa thải thông minh
đư
ã
ũng đ
c
ợc nghiên cứu và phát triển như
Hiệu quả của chiến lược sa thải phụ tải
đề xuất được áp dụng cho sơ đồ hệ thống
điện chuẩn IEEE 37 bus 9 máy phát. Các kết
quả tính toán và mô phỏng cho thấy rằng
lượng công suất sa thải phụ tải ít hơn so với
chiến lược sa thải phụ tải dựa trên relay sa
thải dưới tần số, do đó giảm được các thiệt
hại và các bất tiện gây ra cho khách hàng sử
dụng điện. Bên cạnh đó, thời gian phục hồi
và góc lệch rotor vẫn đảm bảo phục hồi về
giá trị cho phép mặc dù chiến lược sa thải
phụ tải đề xuất có lượng công suất sa thải ít
ứng dụng mạng neural trong sa thải phụ tải
[9], giải thuật mờ hóa [10], giải thuật gen
[11] và thuật toán PSO [12]. Hầu hết các
nghiên cứu về sa thải phụ tải dưới tần số tập
trung nghiên cứu về việc khi nào sa thải và
lượng tải sa thải bao nhiêu. Các giới hạn của
phương pháp này là chưa xác định được tải
nào cần sa thải và phân bố lượng công suất
sa thải tại các nút tải.
Có 3 vấn đề đặt ra đối với một phương
án sa thải. Đầu tiên, việc sa thải phụ tải cần
phải thực hiện nhanh; thứ hai là tần số phải
phục hồi về giá trị cho phép và cuối cùng là
lượng công suất sa thải phải ít nhất có thể.
ì đư
hơn. Qua đó, duy tr
ợc tính ổn định của
hệ thống điện.
2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN
Trong bài báo này, một phương pháp sa
thải phụ tải mới dựa trên tần số có xét đến
2.1 Điều khiển tần số sơ cấp và thứ cấp
trong hệ thống điện.
Điều khiển tần số sơ cấp: Điều chỉnh tần
tần số:
∆f=f0-f1
đi
số sơ cấp là quá trình ều chỉnh tức thời
được thực hiện bởi số lượng lớn các tổ máy
có bộ phận điều chỉnh công suất tuabin theo
sự biến đổi của tần số.
Tuy nhiên, nhờ có bộ điều tốc đã hạn
chế được độ lệch lớn của tần số.
So với trường hợp tổ máy không có bộ
Điều khiển thứ cấp: Điều chỉnh tần số
đi
điều tốc (2) thì giao ểm với đăc tính mới
đi
thứ cấp là quá trình ều chỉnh tiếp theo của
∆P s
của phụ tải PL+
ẽ xác định tần số f1
điều chỉnh tần số sơ cấp thực hiện thông qua
tác động của hệ thống tự động điều chỉnh
công suất phát AGC (Automatic Generation
Control) đối với một số các tổ máy được quy
định cụ thể nhằm đưa tần số trở lại giá trị
danh định hay nói cách khác, hoặc những tác
động điều chỉnh tần số độc lập với phản ứng
của bộ điều tốc gọi là điều khiển thứ cấp.
f’1<f1<f0
Như vậy, bộ điều tốc của tổ máy đ
ã có
tác dụng giúp giảm sự thay đổi lớn của tần số
được gọi là bộ điều chỉnh tần số sơ cấp. Hiệu
đi
quả của quá trình ều chỉnh sơ cấp phụ
thuộc vào độ dốc đặc tính điều chinh của tổ
ư
máy. Trường hợp lý t ởng, đặc tính điều
đi
Quá trình ều chỉnh tần số sơ cấp và thứ cấp
chỉnh (4) của tổ máy thẳng đứng, tần số sẽ
không thay đổi cho đến giới hạn công suất
của tổ máy Pn.
được trình bày ở Hình 1.
Chính đặc điểm trên của quá trình điều
chỉnh sơ cấp dẫn đến sự cần thiết can thiệp từ
bên ngoài (do thiết bị điểu khiển tự động
thực hiện hoặc do trực ban vận hành) – đó là
quá trình điều chỉnh thứ cấp. Đặc tính điều
chỉnh thứ cấp được thể hiện bằng cách dịch
chuyển song song đường đặc tính (1) sang
thành đặc tính (3) của tổ máy, với độ dốc vẫn
không thay đổi.
Quá trình điều chỉnh này tương đương
Hình 1. Đồ thị mô tả mối quan hệ của
độ lệch tần số và độ lệch công suất ra
ĩnh
với việc tạo ra đường đặc tính điều chỉnh t
thẳng đứng – đặc tính số (4). Như vậy, với
việc điều chỉnh thứ cấp trong giới hạn công
suất định mức của tổ máy phát có thể dịch
chuyển đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc
để duy trì tần số trong giới hạn yêu cầu. Như
vậy, với tác động của điều khiển thứ cấp, tần
số sẽ phục hồi về giá trị định mức cho phép.
Đặc tính (1) thể hiện tác động của bộ
điều tốc: thay đổi công suất tuabin theo sự
thay đổi của tần số:
Trong chế độ cân bằng, điểm giao nhau
của đặc tính máy phát (1) với đặc tính tần số
của phụ tải Pt xác định tần số f0 50Hz (hoặc
60Hz).
2.2 Tính toán lượng công suất sa thải phụ
tải tối thiểu có xét đến đặc tính điều
khiển cơ turbine và phụ tải
∆P
Khi phụ tải tăng thêm L, tương ứng sẽ
∆P
là đường đặc tính mới: PL +
L
Công thức tính độ suy giảm tần số trong
chế độ ổn định khi có sự cố mất một máy
phát gmất cân bằng công suất phát-phụ
tải.
Và giao điểm của đặc tính máy phát (1)
∆P
với đặc tính mới của phụ tải (PL +
định tần số mới f1. Ở đây, f1 < f0.
L) xác
So với trường hợp không có bộ điều tốc
(2). Có thể thấy rõ là: f1 < f0
∆ −(
(1)
Theo đường đặc tính (1) của tổ máy phát,
bộ điều tốc không cản trở được sự suy giảm
đ
Trong hệ thống điện tần số 60Hz thì ộ
suy giảm tần số cho phép
∆fcp
là 0,3 Hz
∆f
ận Jacobian J từ phân bố
ất theo Newton Raphson,
(
cp= -0.3Hz). Do đó khi tính trong hệ đơn
0.3
1) Tính toán ma tr
trào lưu công su
fcp
( pu).
ợc ma trận con J1 với
ư
ừ đó có đ
và t
60
vị tương đối (pu) thì
P
J1
.
Khi có sự thiếu hụt hoặc mất cân bằng
công suất nguồn và tải gây ra chênh lệch tần
số, việc điều khiển tần số sẽ được thực hiện
theo trình tự: điều khiển sơ cấp, điều khiển
Ma trận Jacobian có dạng tổng quát như
sau:
đ
ã huy
thứ cấp. Khi đ
ộng hết các nguồn sự
đ
phòng ể điều khiển thứ cấp mà tần số vẫn
chưa phục hồi về giá trị tần số cho phép thì
sẽ thực hiện sa thải phụ tải. Như vậy, từ công
thức (c này mối quan hệ giữa độ thay
đổi tầcho phép, lượng công suất điều
khiển uất sa thải tối
thiểu
công thức đề
xuất nu:
Hình 2. Ma trận Jacobian tổng quát
1
fcp .[P (Pthu cap PLS min )]
L
P
(2)
LSmin) < Pthứ cấp
J 1
.
∆P
Ở đây, nếu (
∆P
∆
+
ịch đảo ma trận J1,
3) Tính toán kho
j theo công th
2) Ngh
thứ cấp
∆P
ư
à
thì
LSmin=0, ngược lại thì l ợng công
ảng cách pha giũa 2 bus i v
ức:
max
suất sa thải phụ tải tối thiếu được tính theo
công thức dưới đây:
j
j
i
i
SP (i, j)
P P P P
i
j
j
i
(4)
f
cp
P
P
LS min
Thu cap
Công thức (4) có thể được viết lại như
(3)
sau:
Ở đây: ổi tần số cho
j
j
i i
S (i, j)
phép (pu); P
cần thiết (pu); ∆
ng suthải
là độ thay đổi suất
P
P P P P
j
j
i
i
cơ đầu ra của uốc bin (pu); ∆
là
(5)
ấ
lượng công suất điều khiển thứ cấp vào
hệ thống.
j
i
P P
2.3 Phân bố lượng công suất sa thải tại
các bus tải
j
j
là sự thay đổi góc pha giữa
2 nút j và i do công suất P bơm vào nút j.
Sau khi tính toán lượng công suất sa thải
phụ tải tối thiểu cần thiết để khôi phục tấn số
về giá trị cho phép, vấn đề tiếp theo là xác
định việc phân bố lượng công suất sa thải tại
các bus tải khác nhau.
j
i
P P
i
i
là sự thay đổi góc pha giữa
2 nút i và j do công suất P bơm vào nút i.
Công thức (4) có thể viết theo cách
khác:
Mục đích là tập trung ưu tiên sa thải tại
các nút tải xung quanh hoặc gần các máy
phát bị sự cố ngừng hoạt động (loss
generators). Để thực hiện điều này, khái niệm
khoảng cách pha giữa 2 bus được sử dụng.
j j
i i
S (i, j)
P
P P P P
j
i
i
j
(6)
đư
Khoảng cách pha giữa 2 bus thì ợc tính
đư
toán sử dụng quy trình ợc đề xuất trong
[13], được thực hiện theo các bước sau:
S
P P,eq .P
j j
LSi
LS min
SP,mi
P P
(11)
j
i
là sự biến đổi pha của j do
Ở đây:
công suất tác dụng truyền từ j đến i.
PLSi: lượng công suất sa thải phụ tải cho
nút tải i (MW)
i i
P P
i
j
PLS min: lượng công suất sa thải tối thiểu
để phục hồi tần số về giá trị cho phép (MW)
là sự biến đổi pha của i do
công suất tác dụng chuyển từ i đến j.
SP,mi: Khoảng cách pha của tải tương ứng
tới máy phát bị sự cố
Rõ ràng, hai nút điện gần nhau sẽ luôn
có 1 khoảng cách pha giữa 2 nút rất nhỏ. Độ
nhạy càng nhỏ lượng công suất sa thải càng
nhiều. Vì vậy, khi một máy phát bị sự cố xảy
ra tại nút n, lượng tải sa thải tại m nút tải
khác nhau có thể được tính toán tương tự
SP,eq: Độ nhạy tương hỗ tương đương
của tất cả các nút tải và máy phát
1
SP,eq
ý chia dòng t
như nguyên l
1
ải trong mạch điện
im
song song được trình bày ở Hình 3:
SP,mi
với m là thứ tự bus
máy phát, i là thứ tự bus tải.
2.4 Tổng quan mạng neural nhân tạo
(ANN)
Hình 3. Sơ đồ mạch điện song song.
Do mạch điện song song nên :
1
1
1
1
Y
...
Zeq Z1 Z2
Zn
(7)
(8)
1
Zeq
Y
Hình 4. Hình ảnh một tế bào nơ-ron nhân
tạo.
P
U 2
Zeq Zeq
Z1 U 2
1
.
P
Z1
ANN là mô hình xử lý thông tin được
mô phỏng dựa trên hoạt động của hệ thống
thần kinh của sinh vật, bao gồm một số
lượng lớn các nơ-ron được gắn kết với nhau
để xử lý thông tin. ANN giống như bộ não
của con người, được học hỏi kinh nghiệm
(thông qua huấn luyện), có khả năng lưu giữ
những kinh nghiệm hiểu biết (tri thức) và sử
dụng những tri thức đó cho việc dự đoán các
dữ liệu chưa biết (unseen data).
(9)
Với khoảng cách pha giữa tải và máy
phát càng lớn thì khoảng cách giữa tải và
máy phát bị sự cố càng lớn đồng thời điện trở
càng lớn, suy ra khoảng cách pha tỉ lệ thuận
với tổng trở Z. Nên từ công thức (9) có công
thức tương đương:
Zeq SP,eq
P
1
ơ
ấn luyện mạng n
Phương pháp hu
-ron
P
Z1
SP,1
(10)
ật toán
dùng thu
ền ngược.
lan truy
Suy ra công thức tổng quát tính toán
phân bố lượng sa thải tại các nút theo khoảng
cách pha:
Mạng lan truyền ngược thường có một
hoặc nhiều lớp ẩn với các nơron dạng
sigmoid và lớp ra là các nơ-ron với hàm
truyền tuyến tính. Mạng nhiều lớp sử dụng
thuật học lan truyền ngược đang được sử
ĩnh v
Tổng công suất tác dụng và công suất phản
kháng cực đại của các máy phát tương ứng là
1087 MW và 449 MVAR. Sbase = 100MVA
cho hệ thống thử nghiệm này. Giá trị thông
số của các máy phát được trình bày ở Bảng 1.
Các giải pháp điều khiển để giữ tần số ở
trạng thái ổn định và giảm thiểu giá trị tải sa
dụng rộng rãi nhất l
ực nơ-ron.
đư
thải với mục tiêu là duy trì ợc tần số ổn
định từ 59,7 đến 60 Hz.
Hình 5. Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp
sử dụng thuật học BP.
Có 4 thuật toán huấn luyện Matlab
khuyến dùng trong bài toán nhận dạng:
Lenvenberg-Marquardt, Bayesian, Scaled
Conjugate
Gradient
và
Resillient
Backpropagation.
ấn luyện
Phương pháp hu
nơ-ron hồi quy.
ạng
m
Mạng neural hồi quy (GRNN) tổng quát
thường được sử dụng để ước lượng chức
năng. Nó có một lớp cơ sở xuyên tâm và một
lớp tuyến tính đặc biệt.
Hình 7. Sơ đồ hệ thống điện chuẩn IEEE 37
bus 9 máy phát
Kiến trúc cho GRNN được thể hiện
Bảng 1. Thông số các máy phát sơ đồ hệ
thống điện 37 bus 9 máy phát
ương t
ở Hình 6. Nó t
ự như Neural xuyên tâm
cơ bản, nhưng có một lớp thứ hai hơi khác.
S.ne S.old
Ma
x
M
W
ame of
Bus
R.ol R.new
d p.u p.u
β
pu
w
MV
A
MVA
0,12
5
0,02
8
4
5
6
7
8
9
BUD69
100
100
100
100
100
100
100
100
100
40
180
180
250
160
57
0,05
8
35
150
150
220
150
52
M345_
0,05
36
36
50
32
1
M345_
0,02
0,05
8
2
SLACK34
5
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,02
Hình 6. Sơ đồ tổng quát mạng hội quy.
0,03
1
0,08
8
0,05
9
0,03
3
PEACH69
CEDAR69
BIRCH69
PEAR138
PEAR69
3. THỬ NGHIỆM – KIỂM TRA TRÊN
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN CHUẨN
11,
4
85
17
30
23
3.1 Kết quả mô phỏng của phương pháp
đề xuất
80
150
115
140
110
0,04
3
Hiệu quả của phương pháp đề xuất được
kiểm nghiệm trên sơ đồ hệ thống điện chuẩn
IEEE 37 bus 9 máy phát [14]. Sơ đồ đơn
tuyến của hệ thống được trình bày trong
Hình 7. Hệ thống kiểm tra bao gồm 9 máy
phát điện và 26 bus tải. Máy phát điện tại
Bus-31 được coi là máy phát cân bằng. Tổng
công suất tác dụng và công suất phản kháng
của hệ thống là 1046,52 MW và 226,47
Để kiểm tra hiệu quả của phương pháp
được đề xuất, các tình huống ngừng hoạt
động của các đơn vị máy phát điện được tính
toán, mô phỏng và kiểm tra các thông số.
Trong các trường hợp tính toán và mô phỏng
thì công suất dự phòng quay ể điều khiển
tần số thứ cấp được xem xét. Tất cả các
trường hợp thử nghiệm được mô phỏng trên
đ
ư
MVAR tương ứng ở điều kiện bình th ờng.
phần mềm PowerWorld GSO 19. Các kết quả
được so sánh với kết quả sa thải phụ tải bằng
kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống sử dụng
relay sa thải phụ tải dưới tần số, được trình
bày trong Bảng 6.
phát ELM345#1 (bus 28) ngừng hoạt động ở
mức tải 95%, áp dụng công thức (1) tính toán
được giá trị tần số ổn định khi máy phát
ELM345#1 (bus 28) ngừng hoạt động là
59,52 Hz, kết quả đồ thị tần số mô phỏng
được trình bày ở Hình 8.
Áp dụng các công thức (1), (2), (3) tính
được giá trị tần số của hệ thống, lượng công
suất điều khiển sơ cấp, thứ cấp và lượng tải
cần phải sa thải khi có sự cố ngừng hoạt
động của các đơn vị máy phát. Kết quả tính
toán tổng hợp các tình huống ngừng hoạt
động của các đơn vị máy phát điện được
trình bày ở Bảng 2.
Bảng 2. Các trường hợp sự cố ngừng máy
phát
STT
Tần Nằm
số trong trị
Giá
Giá
trị
Lượn
g
tính phạm công
toán vi cho suất
công
suất
điều
công
suất
sa
Hình 8. Tần số của hệ thống khi sự cống
ngừng hoạt động máy phát ELM345#1
(Hz) phép
điều
khiển khiển thải
sơ
cấp
(MW (MW
)
thứ
cấp
(MW)
Giá trị tần số sau khi sự cố ngừng máy
phát ELM345#1 (bus 28) nhỏ hơn giá trị cho
đi
phép. Do đó, cần tiến hành quá trình ều
)
khiển tần số sơ cấp và điều khiển tần số thứ
Máy phát 59,9
Có
10
0
0
0
ã trình bày
cấp đ
ở mục II để phục hồi tần số.
REDBUD
Máy phát
ELM345#
1
7
Việc điều khiển sơ cấp được thực hiện tự
động phản ứng của bộ điều tốc turbine ngay
sau khi máy phát ELM345#1 (bus 28) ngừng
hoạt động. Giá trị công suất điều khiển sơ
cấp của mỗi turbine máy phát được trình bày
ở Bảng 3.
59,5 Khôn
2
150
46.3
g
Máy phát
ELM345#
2
59,5 Khôn
150
0
46.3
2
g
Máy phát
PEACH69
Máy phát
CEDAR6
9
Máy phát
BIRCH69
Máy phát 59,6 Khôn
59,7
4
59,8
6
có
Có
18.93
16
0
0
0
0
Bảng 3. Giá trị công suất điều khiển sơ cấp
của các máy phát
Công suất điều khiển sơ
cấp tăng lên của mỗi
59,7
9
Có
54.8
140
110
0
0
0
0
33.3
0
Máy phát
máy (MW)
PEAR138
Máy phát 59,7
PEAR69
1
g
Có
REDBUD69 (bus 14)
ELM345#1 (bus 28)
ELM345#2 (bus 28)
SLACK345 (bus 31)
PEACH69 (bus 44)
CEDAR69 (bus 48)
BIRCH69 (bus 50)
PEAR138 (bus 53)
5.8
0
26
Giả định sự cố ngừng máy phát
ELM34#1 tại bus 28, kết quả tính toán và mô
phỏng cho thấy sau khi sự cố, tần số suy
giảm nghiêm trọng và nhỏ hơn giá trị cho
36.2
23.1
8.2
ình bày
phép như tr
ở Hình 8. Vì vậy, cần áp
dụng các giải pháp điều khiển sơ cấp và thứ
ã trình bày
12.3
21.7
cấp đ
ở mục II để phục hồi tần số.
Trường hợp nghiên cứu xem xét máy
Bus
12
Bus
54
Bus
54
Bus
27
Bus
44
Bus
27
Bus
24
7
PEAR69 (bus 54)
16.6
Bus
50
Bus
15
Bus
24
Bus
3
Bus
12
Bus
12
8
Bus 5
Tổng = 150 MW
Bus
33
Bus
15
Bus
53
Bus
16
Bus
16
Bus
53
Bus
12
Bus
10
Bus
12
Bus
56
Bus
24
Bus
10
Bus
21
Bus
10
9
Do tần số phục hồi nhỏ hơn giá trị cho
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
đi
phép nên quá trình ều khiển thứ cấp được
Bus
54
Bus
24
Bus
27
Bus
48
Bus
24
Bus
17
Bus
19
Bus
33
Bus
21
Bus
18
Bus
5
Bus
13
Bus
37
Bus
55
Bus
14
Bus
50
Bus
34
Bus
20
Bus
27
Bus
10
Bus
56
Bus
48
Bus
14
Bus
18
Bus
37
Bus
33
Bus
17
Bus
21
Bus
19
Bus
34
Bus
13
Bus
55
Bus
50
Bus
20
Bus
44
Bus
15
Bus
54
Bus
24
Bus
53
Bus
10
Bus
16
Bus
27
Bus
48
Bus
5
Bus
18
Bus
17
Bus
37
Bus
21
Bus
19
Bus
13
Bus
55
Bus
3
Bus
44
Bus
30
Bus
56
Bus
17
Bus
55
Bus
13
Bus
19
Bus
18
Bus
5
Bus
37
Bus
33
Bus
14
Bus
34
Bus
50
Bus
20
Bus
44
Bus
3
Bus
30
Bus
55
Bus
56
Bus
17
Bus
13
Bus
19
Bus
18
Bus
5
Bus
37
Bus
33
Bus
14
Bus
34
Bus
50
Bus
20
thực hiện sau khi thực hiện điều khiển sơ cấp.
Toàn bộ công suất dự phòng quay của các
máy phát sẽ được huy động để thực hiện điều
khiển thứ cấp. Trong trường hợp này do
Bus 3
Bus
30
Bus
56
Bus
55
Bus
17
Bus
13
Bus
19
Bus
18
Bus 5
ã bơm
lượng công suất của máy Slack345 đ
Bus
16
Bus
53
Bus
27
Bus
56
Bus
10
Bus
48
Bus
18
Bus
37
Bus
17
Bus
21
Bus
19
Bus
13
hết vào hệ thống nên công suất điều khiển
thứ cấp huy động được là 0 MW.
Do đó, giải pháp cuối cùng là sa thải phụ
tải. Áp dụng công thức (3) tính được lượng
công suất sa thải tối thiểu để phục hồi tần số
về giá trị cho phép.
P
P f P
100
LS min
m
cp
secondary _control
Bus 5
0.3
60
Bus
37
Bus
33
Bus
14
Bus
34
Bus
50
Bus
20
1.5
207.4 0 100 46.3MW
Sau khi tính toán được lượng công
suất sa thải tối thiểu, tiến hành phân bố lượng
công suất sa thải tại các bus tải. Việc phân bố
công suất sa thải được thực hiện dựa trên giá
trị khoảng cách pha giữa máy phát
ELM345#1 và các nút tải. Áp dụng các bước
tính toán mục II, tính được khoảng cách pha
giữa các máy phát sự cố ELM345#1 và các
nút tải. Kết quả tính toán trình bày ở Bảng 4.
Bus
55
Quan hệ khoảng cách pha giữa máy phát
ELM345#1 và các bus tải được trình bày ở
Hình 9. Quan sát Hình 9, cho thấy các bus tải
càng gần máy phát bị sự cố thì có độ nhạy
càng nhỏ, càng xa độ nhạy càng lớn.
Bảng 4. Khoảng cách pha giữa các máy phát
sự cố ELM345#1 và các nút tải
Th
ứ
tự
the
o
kho
ảng
các
h
pha
tăn
g
Máy
phát
EL
Máy
phát
PE
AR6
9
(BU
S
54)
Máy
phát
PEA
CH6
9
Máy
phát
CED
AR6
9
Máy
phát
BIR
CH6
9
Máy
phát
Máy
phát
PEA
R138
(BU
REDB M34
UD69
BUS(1 (BU
5
(BUS (BUS (BUS
44) 48) 50)
4)
S
28)
S 53)
dần
Bus
Bus
56
Bus
30
Bus
12
Bus
3
Bus
44
Bus
10
Bus
Bus
Bus
Bus
53
Bus
54
Bus
48
Bus
15
Bus
16
Bus
21
Bus
54
Bus
15
Bus
53
Bus
48
Bus
16
Bus
27
1
2
3
4
5
6
14
Bus
34
Bus
44
Bus
20
Bus
30
44
Bus
30
48
Bus
21
Bus
54
Bus
53
Bus
15
50
Bus
20
Bus
33
Bus
34
Bus
30
Bus 3
Bus
12
Bus
24
Bus
15
Bus
16
Bus
14
Hình 9. Quan hệ khoảng cách pha giữa máy
Bus 3
phát ELM345#1 và các bus tải
Bus 21
Bus 18
Bus 05
Bus 13
Bus 37
Bus 55
Bus 14
Bus 50
Bus 34
Bus 20
1,425027
1,403959
1,382452
1,289767
1,264271
1,190964
1,118046
0,936233
0,915256
0,861789
Sau khi tính toán khoảng cách pha giữa
máy phát bị ngừng hoạt động ELM345#1 và
các nút tải, việc ưu tiên phân bố lượng công
suất sa thải cho từng nút tải được tính toán
dựa trên nguyên tắc: bus tải càng gần máy
ưu tiên lư
phát bị sự cố thì
ợng công suất sa
thải càng nhiều. Áp dụng công thức (11) ở
mục II tính được giá trị công suất sa thải tại
các bus tải. Kết quả tính toán được trình bày
ở Bảng 5.
Để so sánh hiệu quả của phương pháp đề
Bảng 6. Lượng công suất tải được cắt vào
mỗi bước theo sự thay đổi tần số của phương
pháp sa thải phụ tải truyền thống [4]
ương pháp sa th
xuất thì ph
ải phụ tải dưới tần
số sử dụng relay sa thải phụ tải dưới tần số
được sử dụng để so sánh. Quá trình sa thải
phụ tải sử dụng relay sa thải dưới tần số
UFLS được thực hiện khi tần số giảm xuống
dưới ngưỡng cài đặt tần số. Việc cắt tải
thường được thực hiện theo từng bước dựa
trên bảng cắt phụ tải dự kiến được xác định
Lượng
tải sa
Tổng số
Các
bước
Tần số Thời
sa thải gian
thải
(phần
trăm
tổng
tải) (%)
9
lượng
tải
sa
UFLS tải (Hz) trễ (s)
thải (%)
ã có.
dựa trên quy tắc chung và kinh nghiệm đ
Các bảng này cho biết lượng công suất tải
nên được cắt vào mỗi bước phụ thuộc vào sự
suy giảm của tần số được trình trình bày ở
Bảng 6.
A
B
59.7
59.4
0.28
0.28
9
7
16
C
D
E
F
59.1
58.8
58.5
58.2
59.4
0.28
0.28
0.28
0.28
10
7
6
5
7
5
23
29
34
41
46
Bảng 5. Giá trị công suất sa thải phân bố tại
các bus tải
L
Kết quả so sánh đồ thị tần số và góc pha
của phương pháp đề xuất và phương pháp
UFLS được trình bày ở Hình 10 và Hình 11.
Lượng công suất sa
Nút tải
thải
Bus 56
Bus 30
Bus 12
Bus 03
Bus 44
Bus 10
Bus 54
Bus 15
Bus 53
Bus 16
Bus 27
Bus 48
Bus 24
Bus 17
Bus 19
Bus 33
3,110533
2,786353
2,757257
2,569002
2,389231
2,332741
2,225078
2,210971
2,156717
1,952684
1,914072
1,868562
1,800235
1,567149
1,445972
1,425676
Hình 10. Tần số sau khi sa thải phụ tải của
phương pháp đề xuất và phương pháp truyền
thống
phục hồi của phương pháp đề xuất thấp hơn
so với phương pháp UFLS. Tuy nhiên, giá trị
này vẫn trong phạm vi cho phép và chấp
nhận được (59,7Hz). Đặc biệt khi xem xét
góc pha phục hồi thì thời gian phục hồi góc
pha của phương pháp đề xuất tương đương
so với phương pháp UFLS mặc dù lượng
công suất sa thải ít hơn rất nhiều. Nguyên
nhân là do sa thải lượng lớn tải tại các nút tải
gần với máy phát bị ngừng hoạt động làm
cho góc pha phục hồi nhanh hơn. Qua đó
chứng minh hiệu quả của phương pháp đề
xuất.
Hình 11. Góc lệch rotor sau khi sa thải phụ
tải của phương pháp đề xuất và phương
pháp truyền thống
3.2 Kết quả huấn luyên mạng neural
nhân tạo (ANN)
Như vậy, phương pháp sa thải đề xuất có
lượng công suất sa thải ít hơn (77,85 MW) so
với phương pháp UFLS. Ở đây, giá trị tần số
Hình 12. Quy trình thực hiện trên sơ đồ IEEE 37 bus.
Tổng số biến sau khi thu thập bao gồm
các thông số đặc trưng cho hệ thống điện
gồm có 165 biến: Công suất phát của các
máy phát Gen MW (9 biến); Điện áp tại các
bus Bus V pu (37 biến); Tần số tại các bus
Bus Frequency (37 biến); Công suất tải Load
MW (26 biến) và Branch MW To (56 biến).
ận dạng sự cố (Neural 1).
Quá trình nh
Hình 14.
Hình 13. Quá trình nhận dạng sự cố (Neural
1).
Ở đây 165 biến là các dữ liệu đầu vào
(input). Neural 1 được huấn luyện bằng
phương pháp lan truyền ngược với 2 thuật
toán Lenvenberg (trainlm), Scaled Conjugate
Gradient (traincg). Trạng thái là các tín hiệu
đầu ra cho biết sự cố được nhận dạng.
đ
Hình 14. Trung bình ộ chính xác huấn
luyện và độ chính xác kiểm tra của thuật
toán Lenvenberg sau 10 lần huấn luyện.
ờng hợp huấn luyện bằng
Trư
ờng hợp huấn luyện bằng
Trư
ật toán Scaled C
thu
onjugate
ật toán
thu
Lenvenberg (trainlm).
(traincg).
Bảng 7. Kết quả trung bình của độ chính xác
huấn luyện và kiểm tra sau 10 lần huấn
luyện (trainlm).
Bảng 8. Kết quả trung bình của độ chính xác
huấn luyện và kiểm tra sau 10 lần huấn
luyện (traincg).
Số neural
trong một
lớp ẩn
1
Độ chính xác
huấn luyện
(%)
Độ chính xác
kiểm tra (%)
Số neural
trong một
lớp ẩn
1
Độ chính xác
huấn luyện
(%)
Độ chính xác
kiểm tra (%)
75.78261
86.91304
96.26087
99.78261
99.86957
99.65217
99.73913
99.78261
99.56522
99.78261
99.86957
99.86957
99.86957
99.82609
99.78261
99.73913
99.69565
99.65217
99.82609
99.69565
72.68041
84.94845
96.59794
99.69072
99.69072
99.38144
99.17526
99.27835
99.17526
99.58763
99.27835
99.58763
99.58763
99.69072
99.27835
99.69072
99.27835
98.96907
99.69072
99.38144
73.17391
83.69565
95.21739
93.73913
98.43478
98.21739
99.78261
99.78261
99.78261
99.65217
99.82609
99.69565
99.69565
99.69565
99.56522
99.43478
99.73913
99.73913
99.69565
99.82609
73.91753
83.50515
95.36082
94.2268
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
97.42268
98.76289
99.48454
99.27835
99.48454
99.17526
99.27835
99.17526
99.17526
99.48454
99.07216
99.07216
99.17526
99.48454
99.69072
99.17526
Từ kết quả bảng 4.9, nhận thấy số neural
Từ kết quả bảng 4.10, nhận thấy số
đ
trong một lớp ẩn là 5 thì ộ chính xác huấn
đ
neural trong một lớp ẩn là 7 thì ộ chính xác
luyện và độ chính xác kiểm tra tương đối cao
và thời gian huấn luyện nhanh.
huấn luyện và độ chính xác kiểm tra tương
đối cao và thời gian huấn luyện nhanh.
Độ chính xác huấn luyện (màu đỏ) và độ
chính xác kiểm tra (màu xanh) trình bày ở
Độ chính xác huấn luyện (màu đỏ) và độ
chính xác kiểm tra (màu xanh) trình bày ở
phương pháp huấn luyện mạng neural hồi
Hình 15.
quy.
đ
Hình 15. Trung bình ộ chính xác huấn
luyện và độ chính xác kiểm tra của thuật
toán Scaled Conjugate sau 10 lần huấn
luyện.
Hình 18. Độ chính xác kiểm tra bằng
phương pháp huấn luyện mạng neural hồi
quy.
ợc
ư
ử lý phân bố chiến l
Quá trình x
ều khiển sa thải phụ tải (Neural 2).
đi
Bảng 9. Đánh giá huấn luyện neural.
Độ chính xác Độ chính xác
Số biến
huấn luyện
kiểm tra
165
100%
100%
4. KẾT LUẬN
Hình 16. Quá trình xử lý sự cố (Neural 2).
đ
ã
Bài báo đ ề xuất phương pháp sa thải
phụ tải trên cơ sở phối hợp mạng neural kép
và lý thuyết về điều khiển sơ cấp, điều khiển
thứ cấp và khoảng cách pha nhằm duy trì ổn
định tần số của hệ thống điện khi có sự cố
mất một máy phát.
Ở đây 165 biến là các dữ liệu đầu vào
(input). Neural 2 được huấn luyện bằng
phương pháp huấn luyện mạng neural hồi
quy với số mẫu huấn luyện là 80% mẫu và số
mẫu kiểm tra là 20% mẫu. Lượng công suất
sa thải tại các bus tải (26 biến) là các tín hiệu
đầu ra ứng với máy phát bị sự cố.
Hiệu quả của phương pháp đề xuất được
minh chứng thông qua mô phỏng offline trên
hệ thống chuẩn IEEE 37 bus - 9 máy phát,
ứng với từng trường hợp sự cố máy phát ở
các mức tải từ 60% đến 100%. Trong quá
trình mô phỏng offline này, các thông số PG,
PL, PBranch, UBus, FBus được thu thập để
làm bộ cơ sở dữ liệu đầu vào cho việc huấn
luyện mạng nơ ron lan truyền ngược nhận
dạng sự cố với thuật toán Scaled Conjugate,
độ chính xác huấn luyện là 100%, độ chính
xác kiểm tra là 98,64% và huấn luyện mạng
nơ ron hồi quy xử lý sự cố với độ chính xác
huấn luyện là 100%, độ chính xác kiểm tra là
100%. Ngõ ra của mạng nơ ron lan truyền
ngược sẽ cho biết hệ thống có ổn định hay
không ổn định và máy phát nào bị sự cố; ngõ
ra của mạng nơ ron hồi quy sẽ cho biết lượng
công suất sa thải của mỗi tải ứng với máy
Kết quả sau khi huấn luyện:
Độ chính xác huấn luyện (màu đỏ) và độ
chính xác kiểm tra (màu xanh) trình bày ở
hình 17 và 18.
Hình 17. Độ chính xác huấn luyện bằng
ĩa ã
Quyền Huy Ánh và thầy Lê Trọng Ngh
phát bị sự cố.
đ
hướng dẫn, hỗ trợ rất nhiệt tình và cộng tác
nghiên cứu đề tài này.
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ministry of Industry and Trade of Vietnam - Electricity Regulatory Office. Process of
planning, mobilizing frequency regular and spin power reserve services, 2015.
[2] Florida Reliability Coordinating Council, (2011) FRCC standards handbook.
[3] ERCOT, Underfrequency Load Shedding 2006 Assessment and Review.
[4] D U. Hau Aik, General-Order System Frequency Response Model Incorporating Load
Shedding Analytic Modeling and Applications, IEEE Trans. on Power Systems, 21,
pp.709-717, 2006.
[5] V. V. Terzija, Adaptive Under Frequency Load Shedding Based on the Magnitude of the
Disturbance Estimation. IEEE Trans. on Power Systems, 21, pp.1260-1266, 2006.
[6] P. M. Anderson and A. A. Fouad, Power system control and stability, IEEE Press Power
Engineering Series, 2003.
[7] M. Sanaye Pasand, H. Seyedi, New Centralized Adaptive Under Frequency Load Shedding
Algorithms, Large Power Engineering System conference, pp. 44-48, 2007.
[8] B. Farahani, M. Abedi, An Optimal Load-Shedding Scheme During Contingency
Situations Using Meta-Heuristics Algorithms with Application of AHP Method, 11th
International on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, pp. 167-173, 2008.
[9] C. T. Hsu, M. S. Kang and C. S. Chen, Design of Adaptive Load Shedding by Artificial
Neural Networks, IEE Generation, Transmission, Distribution, 152, pp. 415-421, 2005.
[10] A. A. Sallam, A. M. Khafaga, Fuzzy Expert System Using Load Shedding for Voltage
Instability Control, IEEE Large Engineering Con. on Power Engineering, pp. 125-132, 2002.
[11] W. P. Luan, M. R. Irving, J. S. Daniel, Genetic Algorithm for Supply Restoration and
Optimal Load Shedding in Power System Distribution Networks, IEE Generation,
Transmission, Distribution, 149, pp. 145-51, 2002.
[12] T. Amraee, B. Mozafari, A. M. Ranjbar, An Improved Model for Optimal Under Voltage
Load Shedding, Particle Swarm Approach, IEEE Power Conf. India, 2006.
[13] L. Patrick, The different electrical distance, in Proceedings of the Tenth Power Systems
Computation Conference, Graz, 1990.
[14] J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma and Thomas J. Overbye., Power System Analysis
and Design, Fifth Edition, Cengage Learning, 2012. The 37 bus-9 generators test system
(Ex.11.9).
Available
online:
(accessed on 15 January 2019)
Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):
Họ tên: Phạm Hữu Phúc
Đơn vị công tác: Điện lực Mỏ Cày Nam/ Công ty Điện lực Bến Tre.
Điện thoại: 0947 624949
Email: [email protected]m
13 trang
09/01/2024
16220
Free
Bạn đang xem tài liệu "Tối thiểu lượng công suất sa thải phụ tải có xét đến yếu tố điều khiển sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- toi_thieu_luong_cong_suat_sa_thai_phu_tai_co_xet_den_yeu_to.pdf
